Прогнозирование весеннего стока для предупреждения риска затопления территории

Апухтин, Александр Валерьевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Прогнозирование весеннего стока для предупреждения риска затопления территории
ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Прогнозирование весеннего стока для предупреждения риска затопления территории"

На правах рукописи

Апухтин Александр Валерьевич

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕСЕННЕГО СТОКА ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ

25.00.27 г идрология суши, йодные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

л ? Г! Р 2012

Курск 2012

005019783

Диссертационная работа выполнена на кафедре физической географии и гео экологии Курского государственного университета

Научный руководитель: Кумани Михаил Владимирович

доктор сельскохозяйственных наук, профессор. Курский государственный университет

Официальные оппоненты: Петин Александр Николаевич

доктор географических наук, профессор. Белгородский государственный национальный исследовательский университет

Дегтярев Сергей Дмитриевич

кандидат географических наук, доцент. Воронежский государственный университет

Ведущая организация:

географический факультет Московского государст венного университета им. М.В. Ломоносова

Зашита диссертации состоится «1 7» апреля в 1.4-' на заседании диссертационного совета ДМ 212.036.02 при Воронежском государственном педагогическом университете, по адресу: 394043 г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86. ауд. 408.

С диссертацией можно ознакомиться в читальном зале библиотеки Воронежского государственного педагогического университета.

Автореферат разослан «16» марта 2012 г.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу. 394043, г. Воронеж, ул. Ленина, д. 86. Воронежский государственный педагогический университет, ученому секретарю диссертационного совета ДМ 212.036.02.

Тел., факс: 8(4732) 55-19-49. Email: shmykov@vspu.ac.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат географических наук,

доцент

Шмыков В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Прогнозирование возможности возникновения опасных разливов на реках является сложной многоуровневой задачей, актуальность которой обусловлена состоянием современных хозяйственных систем, их уязвимостью. В зонах, подверженных негативному влиянию паводков и половодий находится большое количество населенных пунктов, критически важных и потенциально опасных объектов инфраструктуры, промышленных предприятий и сельскохозяйственных угодий.

При этом, ущерб от наводнений зависит не только от уровня воды в водоемах и водотоках, а определяется в значительной степени предсказуемостью предстоящего половодья или паводка. Наличие заблаговременной и достаточно точной прогнозной информации позволяет рационально спланировать и провести превентивные мероприятия по недопущению, либо минимизации ущерба от наводнений.

Особое значение имеет изучение современных изменений условий формирования максимального стока. Их недоучет или игнорирование может приводить к значительным ошибкам прогнозов и тем самым снижать эффективность всей совокупности мероприятий по подготовке к половодью.

Цель работы - разработка многоуровневой системы мониторинга и прогнозирования максимальных расходов и уровней воды на основе применения актуальных методов гидрологических прогнозов, собранных данных многолетних гидрометеорологических наблюдений весеннего половодья и с учетом современных изменений стокоформирующих факторов.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- разработка принципиальной многоуровневой схемы мониторинга и прогнозирования весеннего стока;

- выявление основных природных и антропогенных факторов изменения элементов весеннего половодья, характерных для настоящего времени на основе сбора и статистического анализа данных многолетних метеорологических и гидрологических наблюдений;

- разработка алгоритмов и моделей долго-, средне- и краткосрочного прогнозирования максимальных расходов и уровней воды с различным генезисом формирования;

- разработка рекомендаций по совершенствованию системы мониторинга и прогнозирования весеннего стока и зон затопления с применением современного инструментария и методов контроля.

Объект исследования - реки и максимальный сток с их водосборов.

Предмет исследования - природные факторы и хозяйственная деятельность, определяющие режим формирования максимального стока и риска затопления территории.

Теоретическая и методологическая база исследований

организациями в области гидрологии суши, инженерной и прикладной гидрологии, а также гидрологических прогнозов.

Выбор методов исследования определен результатами исследований Аполлова Б.А., Вершининой JIK., Георгиевского Ю.М., Дружинина В. С., Евстигнеева В.М., Калинина Г.П., Комарова В.Д., Крестовского О.И., Кучмента Л.С., Рождественского A.B., Сикан A.B., Шаночкина C.B., Шелутко В.А. и других ученых.

При исследовании региональных особенностей и закономерностей формирования стока использовались результаты исследований Кумани М.В., МишонаВ.М., СмольяниноваВ.М. и других ученых.

Исходные материалы и методы исследования

В основу работы положены результаты многолетних наблюдений за стоком и стокоформирующими факторами, проводимых Курским центром по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды с региональными функциями (КЦГМС-Р), а также опубликованные источники по данной теме.

На различных этапах работы применялись картографические, статистические и физико-статистические, водобалансовые методы, а также методы графического и графоаналитического сравнения данных, территориальных обобщений, гидрологической аналогии и некоторые другие. При этом были использованы программные средства АгсМар 9.3 и его модули (Spatial Analyst, 3D Analyst и т.д.), MS Excel, Gnumeric, StokStat 1.2.

Достоверность результатов

Достоверность полученных результатов основана на большом объеме исходной информации о режиме рек в период весеннего половодья и стокоформирующих факторах. Достоверность результатов подтверждается применением широко распространенных методов и приемов исследования, использованием современных средств обработки и анализа данных. В работе использованы действующие нормативные документы и методические рекомендации, разработанные ведущими научными организациями РФ, что также обуславливает достоверность результатов.

Научная новизна

Впервые предложена и реализована принципиальная многоуровневая схема мониторинга и прогнозирования развития половодья и затопления территории талыми водами. Для исследуемого района выполнена оценка современных изменений процессов формирования весеннего стока. На примере бассейнов рек Сейм и Оскол реализованы долго-, средне и краткосрочные прогностические зависимости для обеспечения функционирования системы дистанционного контроля, моделирования и прогноза динамики половодья. Разработаны рекомендации по организации системы оперативного сбора прогностической информации, определения рисков затопления территории и объектов.

Личный вклад

для трех объектов с различным генезисом формирования половодья. Автором проведен глубокий анализ полученных результатов, на основе чего были разработаны рекомендации по усовершенствованию инструментальных методов мониторинга развития половодья.

Практическое значение работы

Предложенная схема мониторинга и прогнозирования половодья и разработанные модели были использованы при выполнении государственного контракта от 29.04.2011 г. №16.515.11.5005 на тему: «Разработка технологии построения системы автоматизированного мониторинга гидрологических характеристик на реках и внутренних водоемах в составе системы оперативного прогнозирования рисков разливов и паводков и предупреждения населения об опасности чрезвычайной ситуации», исполняемого ООО «Научно-производственное предприятие «Энергетические и информационные технологии» Белгородского государственного университета».

По данным многолетних наблюдений определены условия формирования максимального стока и оценен риск затопления территории водами весеннего половодья. Результаты оценки риска затопления территории, а также методы долго-, средне- и краткосрочного прогноза применяются для проведения мониторинга и прогнозирования негативных последствий половодий территориальными органами МЧС России (справка о внедрении от 13.02.2012).

Результаты работы были использованы в учебном процессе в ФГБОУ ВПО «Курский государственный университет» при разработке практических и лекционных занятий по курсам «Природа Курской области», «Гидрология» и «Экологическое проектирование и экспертиза» (справка о внедрении от 10.02.2012).

Апробация работы

Основные положения диссертации были изложены на Международной научно-практической конференции «Географические исследования: история, современность и перспективы (Курск, КГУ, 2010), 2-ой молодежной научной школе «Природные и природно-антропогенные геосистемы: организация, изменения во времени» (Курск, ИГРАН, 2011), 2-й международной научно-технической конференции «Компьютерные науки и технологии» (Белгород, НИУ БелГУ, 2011), Всероссийской конференции с элементам научной школы для молодежи «Чистая вода: опыт реализации инновационных проектов в рамках федеральных целевых программ Минобрнауки России» (Москва, РХТУ, 2011г.), VII Международной научно-практической конференции «Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях» (Воронеж, ВГТУ, 2011), V Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, Спутник+, 2011).

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 10 печатных работ, из них 1 монография, 4 статьи в журналах, находящихся в перечне изданий, рекомендованных ВАК. Материалы исследований опубликованы в ряде научно-исследовательских отчетов ООО «НПП «Энергетические и информационные технологии» БелГУ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст изложен на 174 страницах, включая 13 таблиц, 61 рисунок и список литературы, состоящий из 136 наименований, в том числе 6 на иностранном (английском) языке.

Защищаемые положения 1. Многоуровневая система мониторинга и прогнозирования максимальных расходов и уровней воды весеннего половодья

Современные методы гидрологических прогнозов максимального стока разрабатывались и совершенствовались такими крупными учеными как Георгиевский Ю.М., Евстигнеев В.М., Калинин Г.П., Корень В.И., Кучмент Л.С., Рождественский A.B., Попов Е.Г., Соколов A.A. и др. Продолжением обширного круга исследований является создание комплексных систем, решающих задачи мониторинга стокоформирующих факторов, прогнозирования развития половодья и определения риска затопления территории. Среди систем, успешно реализующих функции прогнозирования и минимизации возможного ущерба от наводнений можно выделить несколько: Система Предупреждения о Наводнениях (Flood Warning System - FWS), Европейская система прогнозирования наводнений (European Flood Forecasting System, EFFS), Европейская система предупреждения о наводнениях (European Flood Alert System, EFAS) и некоторые другие.

Несмотря на широкое распространение в России различных проектов, реализующих математические прогнозные модели гидрологического режима рек в период паводка или половодья, отдельные случаи применения автоматизированных и автоматических систем сбора гидрологической информации и пр. проблема создания единого программно-аппаратного комплекса, реализующего функции автоматического сбора, обработки, прогнозирования гидрологических величин, с развитой системой принятия решений и оповещения в настоящее время для Российской Федерации остается открытой.

По нашему мнению, система мониторинга паводков и половодий, способная эффективно оценивать риск опасных гидрологических явлений, их характеристики, время проявления и потенциальный ущерб, должна включать следующие обязательные этапы (рис. 1 ):

1. Расчет риска развития опасных явлений различного генезиса Данные мероприятия включают в себя гидрометеорологическую характеристику территории, на основе которой делается вывод о генезисе возможных опасных подъемов уровня, определяющих их факторов, их сочетании и возможном взаимодействии. По статистическим данным проводится анализ риска развития данных явлений, включающий построение кривых обеспеченности максимальных уровней и расходов воды, создание картографического материала, отображающего зоны затопления территории при половодьях и паводках различной обеспеченности, а также пространственный анализ территории с выделением потенциально опасных, критически важных объектов, объектов инфраструктуры, населенных пунктов и пр., попадающих в зоны затопления различной обеспеченности.

2. Долгосрочный прогноз водности предстоящего половодья. На этом этапе оценивается риск проявления опасных разливов в конкретный год. Основными

оцениваемыми параметрами являются стокоформирующие факторы, обуславливающие общие черты формирования предстоящего половодья.

Задачи

Построение карт зон затопления высокой (10%, 1%, 0,1%) обеспеченности, определение объектов и зон с высоким риском затопления.

Методы решения

Статистическая обработка данных

многолетних наблюдений, построение кривых обеспеченности максимальных расходов и уровней по данным наблюдений, пространственная интерполяция.

¿У

Прогноз наступления многоводного половодья с заблаговре-менностью до 1 месяца.

Разработка (подбор) моделей фоно- ]

,, вого прогноза объема половодья.

Прогнозный расчет возможных максимальных расходов половодья для критических зон и объектов, начиная с заблаговременного (до 1 месяца), с последующим оперативным уточнением по мере поступления пространственной (бассейновой) информации.

Разработка (подбор, верификация)

моделей формирования максимальных расходов и уровней воды половодья.

| Расчет максимальных уровней.

Краткосрочный (1-10 суг.) прогноз максимальных уровней зон затопления, определение объектов, попадающих в зону риска и оповещение населения, органов управлении, экстренных и оперативных служб и т.д.

Расчет зон затопления.

Разработка региональных моделей прогноза максимальных уровней для конкретных створов, участков.

Рис. 1 - Принципиальная схема мониторинга развития половодья

3. На основе фоновой информации, полученной на 2-м этапе, проводится прогнозный заблаговременный расчет максимальных расходов и уровней, характеризующих опасность затопления территории и находящихся на ней объектов, а также дается оценка риска развития неблагоприятных и опасных явлений в условиях конкретного сезона

4. Основной и наиболее ответственный этап - это краткосрочное прогнозирование развития ситуации, расчет сочетания волн половодья, времени их наступления на базе оперативной гидрометеорологической информации, собираемой с помощью систем контроля, являющихся одним из разрабатываемых элементов предлагаемой системы.

Применение тех или иных методов и подходов к прогнозированию определяется не только и не столько их заявленным качеством. В большинстве случаев, особенно для долго- и среднесрочных прогнозов, низкое качество прогнозов определятся не несовершенством метода или модели, а изменчивостью стокофор-

р. Реуг - с. Любицкое

р. Сейм - пос. Рышково

Фенино

Рис. 2 - Карта-схема района исследования и пункты гидрометеорологических наблюдений. /\- гидрологические посты; - метеорологические станции.

р. Сейм - Рыльск

мирующих факторов, слабо поддающихся прогнозированию. Помимо этого, применение сложных математических моделей, даже автоматизированных, т.е. не требующих непосредственных расчетов оператором или группой прогноза, ограничено. Ограничение заключается в том, что для физически обоснованных методов расчета, динамических и динамико-стохастических моделей, как правило, требуется большой объем исходной информации, не всегда имеющейся в наличии. Значительной проблемой их использования является не только ограниченность входных данных, имеющихся, в основном, только для небольшой части речной сети с достаточной для прогноза сетью гидрометеорологических станций и постов, но и качество предоставляемой информации, что является отдельной проблемой отечественной гидрологии.

Таким образом, при выборе той или иной формулы расчета, математической модели стока или стокоформирующих факторов, необходимо уделять особое внимание целесообразности его использования, поскольку для практики прогнозирования и оценки риска опасных разливов на реках и внутренних водоемах первоочередное значение имеет не физическая обоснованность или новизна подхода, а ее практическая применимость и требуемая достоверность результатов.

2. Результаты изучения современных изменений условий формирования максимального стока

Основным исследуемым объектом является бассейн реки Сейм в пределах Курской области (рис. 2). Река Сейм является правым притоком реки Десна в бассейне реки Днепр. Общая площадь бассейна Сейма составляет 27 500 км2,

р. Снова - д. Щурово

р. Тускарь - с. Свобода

район исследования занимает 18 100 км2. Территория водосбора представляет собой юго-западный склон Среднерусской возвышенности с абсолютными отметками до 252 м. В пойме реки Сейм абсолютные отметки снижаются до 155-156 м.

В настоящее время на формирование весеннего стока в исследуемом бассейне оказывают влияние множество естественных и антропогенных факторов

В течение XX века процесс формирования весеннего стока претерпевал множество изменений. Они связанны, в первую очередь, со значительными преобразованиями ландшафтов сельскохозяйственным производством, проведением, лесозащитных мероприятий и полезащитного лесоразведения, строительством прудов и водохранилищ и прочими факторами.

Многие из перечисленных факторов воздействия возникали повсеместно и практически синхронно, при этом они оказывают разнонаправленное влияние на процессы формирования весеннего стока, что значительно осложняет их учет и выявление значимости каждого фактора в происходящих изменениях гидрологического режима рек. В последние десятилетия наблюдается значительное снижение величины слоя стока весеннего половодья.

Запишем уравнение водного баланса следующим образом:

У=(8тах+х1+х2+хЗ)-(Д 1У+ Л Шгр+ЛИпов^Е) (1)

где Бтах - максимальный запас воды в снежном покрове и ледяной корке; х1 - осадки от момента наступления Бтах до начала таяния; х2 - осадки от момента начала таяния до схода снежного покрова в бассейне; хЗ - осадки от момента схода снежного покрова до окончания половодья; А\У - потери талых вод на увлажнение почвогрунтов; А 1Угр - потери талых вод на пополнение запасов грунтовых и болотных вод,- Л Шов - потери талых вод на поверхностное задержание; Е- суммарное испарение за период формирования стока талых вод.

Рассмотрение изменения основных гидрометеорологических величин, влияющих на формирование слоя стока весеннего половодья, проводилось с использованием разностных интегральных кривых (рис. 3), представляющих собой нарастающую сумму отклонений модульных коэффициентов от среднемноголет-него значения ряда.

Как следует из анализа рис.3, значения слоя стока и среднемесячной температуры зимних месяцев претерпевали значительные колебания. Так, до 1950-1955 гг. исследуемая величина весеннего стока превышала средние за многолетний период значения, в период 1955-1985 гг. значения были близки к норме, а после 1985-1990 гг. произошло резкое снижение. Периоды нарастания и спада модульных коэффициентов слоя стока и средней температуры зимних месяцев практически синхронны. Начиная с 1995-1998 гг. уменьшается запас воды в снеге и ледяной корке.

Также, отмечается отклонение сумм атмосферных осадков, выпавших в завершающую фазу половодья от среднего значения в сторону увеличения. Осадки, выпавшие после момента схода снежного покрова (хЗ), составляющие в среднем около 10-15% от величины Бтах+х, участвуют в этом процессе частично. Часть поступившей влаги задерживается формами микрорельефа, часть испаряется, часть расходуется на дополнительное увлажнение почвы. Особенно сильно этот процесс проявляется при слабопромерзших и талых почвах. То есть, можно гово-

рить о том, что в настоящее время снижается количество осадков, эффективно участвующих в формировании величины слоя стока весеннего половодья и его максимальных расходов.

1Ь 14 - 2Ж-1) . I. . --2 - -3 «• • • 4

А»

12 - • ~

10 - •••Г: •

8 /* /• •

6 ■ ^* / \

4 • • • • \ -ч. - N

2 0 -2 в * 1. <~. -Г"— «ч* . <4. V ' • * • «. ■ч

• Годы

1943 со по> 1953 1958 ' 7 963 " 19 68 1973 с 31 1983 1 со со о> 1993 00 О) о> и " иг § 8 см см

Рис.3 . Разностные интегральные кривые слоя стока весеннего половодья по гидрологическому посту р. Тускарь у г. Курска и некоторых метеорологических величин (по метеостанции Курск);Обозначения: 1-Слой стока за период половодья (У); 2-Среднемесячная температура зимних месяцев (Т); З-Запас воды в снеге и ледяной корке (йтах);

4 - Максимальный расход воды (Отах).

Отмечаемые повышения среднемесячных температур воздуха в зимний период формируют меньшее промерзание почвы, а из-за частых оттепелей происходит дополнительное увлажнение почвогрунтов, приближая запасы влаги в почве к наименьшей полевой влагоемкости (НВ). При талых и слабопромерзших почвах, увлажненных до уровня НВ, потери воды на увлажнение отсутствуют и вся профильтровавшаяся вода поступает в нижние горизонты зоны аэрации и на пополнение запасов грунтовых вод [Евстигнеев, 1990]. Следовательно, наблюдающаяся в настоящее время тенденция к уменьшению величины слоя стока за период половодья относительно среднемноголетних значений может быть обусловлена, в первую очередь, изменением в температурном режиме зимнего периода.

Направленное изменение объема весеннего стока несомненно скажется и на величинах максимальных расходов воды за период половодья. Анализ РИК указывает на синхронность изменений объема весеннего стока и максимальных расходов. Затянутое снеготаяние и продолжительное колебание температуры воздуха в весенний период около 0°С обуславливают формирование относительно пологого гидрографа стока.

Также, на исследуемой территории отмечается заиление русел рек. В результате изменения гидравлических свойств русла и поймы зависимость уровня воды от расхода, обычно принимаемая однозначной, также изменяется от года к году.

Достаточно эффективным приемом для установления начала и степени изучаемых изменений максимального стока является применение двойных интегральных кривых (ДИК). ДИК представляет собой график связи ординат инте-

гральных кривых, отображающих связи между двумя последовательно суммированными величинами: многолетних рядов наблюдения за стоком исследуемого объекта со стоком рек аналогов или элементом водного баланса Относительное изменение стока определяется по уравнению:

К» = tga / tgax, (2)

где Кн - среднее за период изменение исследуемой величины; ОС и & 1 - углы наклона интегральной кривой для периодов до и после начала воздействия.

Изучение двойных интегральных кривых слоя весеннего стока и некоторых гидрометеорологических факторов, представленных на рис. 4-7 и применение формулы (2) позволило определить средние коэффициенты относительного изменения слоя весеннего стока на исследуемой территории, которые представлены в табл. 1.

6333

5033 4333

3333 3333 1333 3

2У1 Тускарь

/ 1994

у? 1975 --

Годы

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

Тускарь — ""Г"

-к

и 1992 —|

■-

А И- —

13 1543 1963 1553 3333

Рис. 4 - ДИК слоя весеннего стока

6000

10000 1 2000

Рис. 5 - ДИК слоя весеннего стока и суммы запасов воды в снеге и осадков

4600 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0

Тускарь Г.....~~~/Л

1994 )

.О'''

И"

5ГП

-100

-300

13333 16333 14333 12333 13333 8333 6333 1333

:озз

20тах \ | / Г |

1 ! 1ов

1992

1970

~Г

4- 2«

Рис. б - ДИК слоя весеннего стока и средней температуры зимнего периода

Рис. 7 - ДИК максимального расхода и слоя стока за период половодья

В таблице приведены численные значения коэффициентов средних относительных изменений слоя стока (Кн у) и максимального расхода (Кн о^общ), коэффициенты относительного изменения слоя стока, обусловленного снижением запасов воды в снеге и осадков за период половодья (Кн 8+х), и общим повышением температуры холодного периода (Кн т), а также снижения максимальных расходов, вызванных изменением формы гидрографа стока (Кн оти).

Таблица 1

Расчетные значения среднего относительного изменения основных элементов весеннего стока

Гидрологический пост Слой весеннего стока Максимальный расход

Кн^, Кнт Кн уобщ КНошах КН Ошах обш

Снова-Щурово 0,96 0,78 0,76 0,88 0,67

Тускарь-Свобода 0,89 0,85 0,76 0,90 0,68

Тускарь-Курск 0,95 0,75 0,72 0,79 0,56

Рать-Беседино 0,72 0,76 0,55 0,66 0,36

Сейм-Зуевка 0,96 0,72 0,69 0,71 0,49

Сейм-Лебяжье 0,93 0,80 0,74 0,77 0,57

Сейм -Рышково 0,96 0,84 0,81 0,60 0,49

Сейм-Рыльск 0,96 0,93 0,89 0,68 0,61

Свапа-Старый город 0,92 0,75 0,69 0,64 0,44

Реуг-Любицкая 0,92 0,76 0,70 0,85 0,59

Таким образом, современные изменения условий формирования стока, обусловлены в первую очередь климатическими факторами. В связи с выявленными факторами максимальный расход сократился на 30-50% относительно средних величин. На г/п р. Рать - с. Беседино сокращение максимального расхода оценивается в пределах 64%, что связано с широким распространением здесь трещиноватых мергелей, и соответственно гораздо большими, чем на остальных водосборах потерями талых вод.

Несмотря на выраженную динамику описанных явлений, утверждать об их необратимости как минимум преждевременно, и скорее всего, ошибочно. Поэтому, при оценке риска затопления территории и разработке прогностических зависимостей, происходящие изменения в условиях формирования стока следует учитывать с осторожностью, допуская статистическую вероятность наступления максимальных расходов и уровней редкой повторяемости.

3. Оценка риска затопления территории в многолетней перспективе и в условиях конкретного года

В соответствии с предлагаемой нами принципиальной схемой мониторинга и прогнозирования половодья, первоначально для исследуемой территории проводится анализ риска затопления водами весеннего половодья. В результате обосновывается необходимость и целесообразность проведения всех этапов предложенной схемы мониторинга и прогнозирования половодья. В соответствии с действующим СП 33-101-2003 нами были определены наивысшие уровни воды весеннего половодья различной обеспеченности (табл. 2).

Таким образом, был получен набор уровней воды различной обеспеченности, характерных для отдельных гидрологических постов. Перенос данных значений на картографическую основу и проведение пространственного анализа совместно с цифровой моделью рельефа в среде ГИС позволяет в первом приближении определить объекты, попадающие в зону риска затопления (рис. 8) и, если подобная опасность существует, имеет смысл переходить ко второму этапу исследований, то есть приступить к разработке прогноза.

Таблица 2

Расчетные уровни воды различной обеспеченности, для рассматриваемых гидрологических постов (м, БС) _. __

Наивысший уровень воды весеннего половодья,

Р%

На втором и третьем этапах прогнозирования развития половодья решаются задачи долгосрочного (с заблаговременностью до 1 месяца) прогнозирования

водности предстоящего половодья и предварительного расчета вероятных максимальных расходов и уровней. Получаемые на данном этапе результа-¿■'УУЙР»1 Ъ^ЯШШМаШШШЗШШ \ ты имеют, как правило, оие-

И \ ночный, приближенный харак-

ШЗ^Ш^^^Шё'^^^^^ЯГ'Л теР- Повышение качества дол-

к ' госрочных прогнозов в систе-• V • '] / ч. ме мониторинга развития по-

а ^п/ N. ловодья не играет прзктиче-

, • ' V ,„ ского значения, так как неко-

торые факторы, значительно Рис. 8 - Фрагмент схемы затопления территории ш полово.

г Курска водами весеннего половодья ^ г г

1% обеспеченности его высоту и, как следст-

вие, риск затопления территории в настоящее время практически не поддаются долгосрочному прогнозированию. Это относится к метеорологическим факторам, в частности к количеству осадков, выпадающих на поверхность водосбора за период половодья и температурному режиму, характерному для предстоящей весны.

В уравнении водного баланса (1) величину суммарного испарения (Ь) можно принять слабо изменяющейся от года к году. Величина потерь на поверхностное задержание относительно стабильна, т.к. определяется морфологическими особенностями ландшафта и её изменчивость от года к году определяется, в основном, объемом воды, поступившей на поверхность бассейна. Потери талых вод на увлажнение почвогрунтов и пополнение запасов грунтовых вод определяется в основном глубиной промерзания почвогрунтов (I) и их увлажнением (IV). Таким образом, общая зависимость слоя стока весеннего половодья (У) от стокоформи-рующих факторов, характерная для лесостепной зоны выглядит следующим образом:

х1, х2, хЗ, Ь, Ю (3)

В виду того, что формирование максимального стока в г. Курске определяется как верхним течением р. Сейм, так и крупным притоком - р. Тускарь, разработка прогнозов всех этапов будет проводиться на начальных этапах отдельно

для двух водотоков, определяя затем результирующие характеристики стока после их слияния.

Для прогнозирования слоя стока весеннего половодья по рассматриваемым гидрологическим постам использовались среднеарифметические значения перечисленных выше величин по метеорологическим станциям, расположенным на территории выделенных бассейнов.

Проведение регрессионного анализа позволило получить следующие формулы для расчета слоя стока весеннего половодья: для г/п р. Тускарь - г. Курск:

У--0,42 *8тах-0,26*х1+0,18 *х2+0,54*хЗ+0,33 *Ь-0,3 7*П'-67,2 (4) для г/п р. Сейм - с. Лебяжье:

7=0,22 *Хтах-0,52 *х!+0,55*х2+0,63 *хЗ+0,1б*Ж+0,69*Ь-54,4 (5) Графическое представление связей рассчитанных и прогнозных значений слоя стока представлена на рис. 9 и 10. В уравнениях 4 и 5 были использованы фактические значения осадков за обозначенные периоды. При составлении прогноза используется либо норма осадков за период, либо их значение по соответствующим метеорологическим прогнозам. Целесообразным видится использование для оценки количества осадков, активно участвующих в формировании весеннего стока норму осадков X, 0,5 X, 2 X, и производить последующую корректировку прогноза слоя стока половодья путем сравнения фактического количества осадков с их нормами, что было предложено Вершининой Л К и ДР1]9851___________________

0 20 40 60 80 100

Рис.9 - Связь рассчитанных и фактических величин слоя стока весеннего половодья для г, п. Тускарь - г. Курск

80 70 60 50 40 30 20 10 о

У прогноз,мм

У факт,мм

0 20 40 60 80 100

Рис. 10 - Связь рассчитанных и фактических величин слоя стока весеннего половодья для г.п. Сейм - с. Лебяжье Максимальный расход воды за период весеннего половодья можно приближенно определить по зависимости:

Отах-т (6)

Соответственно, зависимости для определения максимальных расходов по слою стока для г/п р. Тускарь-г. Курск и р. Сейм - с. Лебяжье представлены на рис.11 и 12.

для г/п Тускарь-Курск (¿тах= 2,51 *У (р.Тускар^ Ку[хк)- 12,47 (7) для г/п Сейм-Лебяжье дий1= 5,06*У(СеШ,Лебяжье)- 38 (8)

Данные зависимости должны уточняться на этапе выпуска среднесрочного прогноза, когда имеется представление о характере предстоящей весны.

Рис. 11 - Зависимость максимальных расходов Рис. 12 - Зависимость максимальных расхо-от слоя стока весеннего половодья для г.п. р. дов от слоя стока весеннего половодья для Тускарь - г. Курск г.п. р. Сейм - с. Лебяжье

Цифры у линий - различные варианты зависимости при разных термических характеристиках весны: 1 - температура воздуха резко повышается и наблюдается дружное снеготаяние; 2 плавное повышение температуры воздуха; 3- осредненная зависимость.

При затянутой весне (вариант 2 на рис. 11 и 12), когда наблюдается плавное повышение температуры воздуха, формируется более пологий гидрограф стока. В обратном случае (вариант 1 на рис. 11 и 12), когда температура воздуха резко повышается и наблюдается дружное снеготаяние, гидрограф стока имеет высокий максимум. Поэтому, осредненные зависимости (7) и (8) (вариант 3 на рис. 11 и 12) должны уточняться при наличии прогнозных данных о температурном характере весны.

Максимальный расход воды в замыкающем створе (г/п р. Сейм - пос. Рыш-ково) определяется как сумма расходов в вышерасположенных гидрологических постах.

Расчет максимальных уровней воды производится по сложившейся на рассматриваемом гидрологическом посту зависимости <2=/(Н).

Точность предлагаемых прогнозных схем, оценивалась как отношение среднего квадратического отклонения эмпирических точек от установленной зависимости, т.е. средней квадратической ошибке проверочных прогнозов (<т'„) и среднего квадратического отклонения предсказываемой величины (а). Чем меньшее получаемое значение &'/ а, тем более точной считается метод прогноза. По предлагаемым нами расчетным формулам для долгосрочного прогноза слоя стока значение ¿г'/ а составляет 0,36-0,46; для долгосрочного прогноза максимального расхода 0,56-0,79; для среднесрочного прогноза максимального расхода 0,43-0,67. Для сравнения, точность расчетов по методам КЦГМС-Р составляет 0,48-0,57 для прогноза слоя стока и 0,71 для прогноза максимальных расходов и уровней воды. То есть качество предлагаемых нами методик прогнозирования стока выше, чем у применяемых в настоящее время КЦГМС-Р. Предложенная методика точнее за счет учета температурных особенностей весны, выделении нескольких категорий атмосферных осадков и учета антропогенных изменений в формировании максимального стока.

4. Алгоритм и основные зависимости для краткосрочного прогнозирования расходов и уровней воды, а также времени их наступления

Разработка схем кратко- "

срочного прогнозирования про- V Ж* 1 тарооскольское

г г- I- г I а ^ •». • г иппоупяннтштр

изводилась нами для нескольких гидрологических объектов, имеющих различные особенности формирования максимальных уровней воды и, соответственно, затопления территории.

1. Река О скол до у. п. Раздолье иллюстрирует наиболее простой пример формирования наводнений, обусловленных движением волны половодья по руслу и пойме реки (рис. 13).

По длине русла реки гидравлические условия относительно стабильны, следовательно, для краткосрочного прогнозирования уровня воды на г/п р. Оскол - р.п. Раздолье, возможно использовать в качестве основного, уравнение метода соответственных уровней, т.е. зависимость уровней воды в нижнем створе от уровней в верхнем.

Для разработки прогностических зависимостей и вывода эмпирических формул использовались срочные уровни воды, а также их среднесуточные значения за годы, когда наблюдались высокие половодья (1963, 1964,1971, 1988, 2003 гг.)

Эмпирическая зависимость уровня воды на г/п р. Оскол - с. Ниновка (Н(Оскол-нинови)) от соответственных уровней г/п р. Оскол - р.п. Раздолье (Н,о«юл-Ращолье)) и времени добегания от уровня воды на верхнем г/п представлены на рис. 14 и 15, которые аппроксимируются уравнениями (9) и (10):

г - г. Ст. Оскол

р. Оскол - с. Ниновка

р. Оскол-р.п. Раздолье

Рис. 13 - Карта-схема бассейна р. Оскол

Н(Оскол-Раздолье) ~ 1,83* Н(Оскол-Ниновка) " 400,06 (9)

^(Ниноека - Раздолье} - Ниновка) (10)

Результаты проверки расчета гидрографа стока по предложенным уравнениям на независимом материале половодья 1980г для г/п р. Оскол - р.п. Раздолье представлены на рис. 16. Погрешность расчетов составила не более 2,5% от фактического значения максимального уровня и 7% для времени его наступления.

750 700 650 600 550 500 450 400 350

% Оскол-Ршдолье), СМ

- /V

л/

уЛ

Н(р. Осхол-Ниновка)» СМ

400

450 500

550

600

650

200

600

Рис. ¡4 - График связи характерных уровней по гидрологическим постам на р. Оскол с. Ниновка и р.п. Раздолье

0 200 400 600

Рис. 16- Результат расчета гидрографа стока бассейна р. Оскол за 1980г. Цифры у линий: 1- измеренные уровни воды; 2- прогнозные

Рис. 15- Зависимость времени добегания на участке р. Оскол между н.п. Ниновка и Раздолье от уровня воды по г.п. р. Оскол - с. Ниновка

2. Река Сейм до г. Курска является примером сложного формирования высоких уровней воды в период весеннего половодья, обусловленного разновременным прохождением волн половодий по основной реке и крупному притоку. Для краткосрочного прогнозирования уровня воды на расчетном гидрологическом посту необходимо учитывать как прохождение волны половодья по основному руслу р.

Сейм, так и по р. Тускарь (рис. 2).

В данном случае в качестве характерных величин используются расходы воды. Это связано с изменчивостью кривых ()=/(Н), как в условиях конкретного сезона (проявление эффекта паводочной петли), так и в многолетнем масштабе (изменение гидродинамических свойств русел и пойм).

Для прогнозирования расхода воды на г/п р. Тускарь - Курск производилось сопоставление характерных расходов с двумя гидрологическими постами, расположенными выше по течению: р. Тускарь - с. Свобода и р. Снова - д. Щурово (рис. 2). Применение зависимостей соответственных расходов между гидрологическими постами р. Снова - Щурово и р. Тускарь - г. Курск повышает заблаго-временность прогноза (минимальное время добегания при этом становится равным 30 часам, а при использовании зависимостей по г/п на р. Тускарь с.Свобода - г. Курск заблаговременность прогноза снижается до 24-25 часов). При этом точность определения максимальных уровней выше при использовании зависимостей по г/п на р. Тускарь у с. Свобода. Оптимальным видится совместное использование двух зависимостей. При этом, с одной стороны, получаем достаточную заблаговременность прогноза времени наступления высоких уровней, а с

другой появляется возможность уточнения прогнозных зависимостей, используя данные по г/п р. Тускарь - с. Свобода.

Функции для определения расхода воды на г/п р. Тускарь - г. Курск (QfTycmp^KypcK)) и времени его наступления (т) в зависимости от расхода на г/п р. Снова -д. Щурово представлены на рис. 17 и 18 и аппоксимируются уравнениями И), (12)._

900 800 700 600 500 400 300 200 100 О

0(Тус!сарь-КурскХ м /с

100

200

300

Рис. 17 - График связи характерных расходов по гидрологическим постам р. Снова -д. Щурово и р. Тускарь - г. Курск

Рис. 18- Время добегания на участке от д. Щурово до г. Курск в зависимости от расходов на г.п. р. Снова - д. Щурово

QÖ

(р. Тускарь

• г.Курск) 198* Q(P. Снова'

(П)

Т(Щуроео-Курск) ~ 927,61 *д(р. Снова- д. Щурово)

(12)

Аналогично определялись зависимости для расчета расходов и времени добегания на участке реки Сейм от д. Зуевка до с. Лебяжье (рис. 19 и 20):

(14) 15)

Сейм - Лебяжье) .Сейм-

tfd. Зуевка-с. Лебяжье) ~~ 270,2 Q (р. Сейм-д.Зуееха)

0,283

т,час

«Ч

- Зуевка), ы /с

200

400

Рис. 19 - График связи характерных расходов по гидрологическим постам р. Сейм у н.п. Зуевка и Лебяжье

Рис. 20 - Время добегания на участке от д. Зуевка до с. Лебяжье в зависимости от расходов на г.п. р. Сейм-с.Зуевка

Расходы на г/п р. Сейм - пос. Рышково определяются как сумма расходов на вышерасположенных гидрологических постах (р. Тускарь - г. Курск и р. Сейм - с. Лебяжье) с учетом времени руслового добегания А(.

Скорость руслового добегания на участках р. Тускарь - г. Курск - р. Сейм -пос. Рышково и р. Сейм - с. Лебяжье - пос. Рышково принимается равной скоро-

ста добегания на вышерасположенных участках (с. Свобода - г. Курск и д. Зуевка - с. Лебяжье соответственно).

По рассчитанным расходам воды определяются соответствующие им уров-

_____________________ __________________ни, применяя зависимость

(2=/(Н'), которую в данном створе можно считать устойчивой.

Результаты расчета гидрографа стока по предложенным уравнениям для г/п р. Сейм - пос. Рышково на независимых данных половодья 1971г. представлены на рис. 21. Погрешность определения максимальных расходов . 3 5 7 9 и 13 15 !7 19 21 23 25 I воды не превысила 2% от фактике. 21 - Результаты расчета гидрографа стока для г.п! ческого значения и 6% для вре-р. Сейм - пос. Рышково за 1971 г. Цифры у линий: 1 - мени его наступления, измеренные расходы воды; 2-прогнозные. 3. Третий рассмотренный

нами вариант формирования весеннего половодья заключается в рассмотрении гидрологического объекта, подверженного значительным антропогенным преобразованиям стока. В качестве такого объекта рассмотрен участок у. Оскол до города Старый Оскол.

Затопление территории г. Ст. Оскол определяется расходами воды (£/„.,), образующимся при попуске через плотину Старооскольского водохранилища (а также прорыве, аварийном сбросе и т.д.; в нашем случае генезис данных максимальных расходов не важен) и промежуточной приточности (£? пршп) с территории бассейна между плотиной водохранилища и г. Ст. Оскол.

\cCrn. Оскол =Ят+<2прит (16)

Величину дт определим как отношение изменения объема в воды водохранилище к интервалу времени, за которое производилось определение, суммированное с д „рот - количеством воды из речной сети поступившей в водохранилище воды в единицу времени.

Ч прит (17)

Изменение объема воды в водохранилище определяется при помощи бати-графических кривых (кривой зависимости объема воды в водохранилище от уровня воды в нём, либо зависимости объема от его площади ). Промежуточная приточность на участке от водохранилища до замыкающего створа принимается равной приточности с водосбора водохранилища (исходя из принятия допущения о равенстве модулей стока в частях водосбора выше и ниже водохранилища). Таким образом:

у прит

-Яя

(18)

5' 5

Б' - площадь водосбора водохранилища;

Я - площадь участка водосбора от плотины водохранилища до замыкающего расчетного створа.

Задача определения дприт решается либо использованием приближенных формул и моделей, либо измерением расходов воды на реках, питающих водохранилище.

Скорость руслового добегания определяется, используя приближенную эмпирическую формулу, которая имеет вид (19).

Уе=а3Л/0 (19)

<2 - расход воды в замыкающем створе участка реки; г - уклон реки в промилле; а -параметр, меняющийся для равнинных рек от 0,4 при широкой заболоченной пойме до 1,0 при отсутствии поймы. В рассматриваемом случае, а принимается равным 0,75. Средний уклон реки составляет 1,8 %о

Зависимость скорости добегания от расхода воды определяется по формуле (19), с учетом снижения скорости движения волны половодья при выходе на пойму. Данная зависимость может быть приближенно описана формулой:

= 0,66*1п(д„^ + 0,64 (20)

Время добегания до гидрологического поста (при расстоянии от плотины до г/п р. Оскол - г. Ст. Оскол равном 10 км) определяется по зависимости (21):

г = 1/уд=10/(а\101)^о,4б(д^0-31 (21)

Уровень воды в замыкающем створе определяется по фактической кривой Q=/(H), сложившейся в створе г/п р. Оскол-г. Старый Оскол.

В рассмотренном случае заблаговременность краткосрочного прогноза в экстремальных случаях составит всего 2-3 часа. В условиях столь малой заблаговременное™ выпускаемых прогнозов, сама возможность предупреждения о риске затопления основывается на использовании современных автоматических и автоматизированных средств измерения, расчета, каналов связи и оповещения населения и заинтересованных субъектов.

Таким образом, нами были реализованы прогнозные схемы для трех гидрологических объектов с различными особенностями формирования максимальных расходов и уровней воды.

5. Рекомендации по организации системы мониторинга и прогнозирования развития половодья с применением современных средств контроля и связи.

Как отмечалось ранее, значительной проблемой отечественной гидрологии является недостаточная полнота, оперативность и надежность получаемой гидрометеорологической информации. В настоящее время информация о гидрологическом режиме рек и водоемов, необходимая для анализа риска развития половодья и прогноза основных его характеристик, имеется в основном, только для небольшой части речной сети, где сохранилась явно не достаточная сеть гидрометеорологических станций и постов, измерения на которых производятся с применением в основном устаревших методов и измерительных приборов.

Особое значение в вопросе повышения качества как входной гидрометеорологической информации, так и получаемых прогнозов играет не только усовершенствование способов измерения (определения), но и совершенствование методологии мониторинга гидрологических характеристик.

Основными чертами разрабатываемых систем мониторинга гидрологических характеристик должны стать:

1. Предложенная нами четырехуровневая объектно-ориентированная схема разработки прогноза и реализации системы мониторинга гидрологических характеристик. Ориентированность на конкретный гидрологический объект при реализации всех четырех этапов построения системы мониторинга позволяет максимально полно изучить сложившиеся на территории бассейна условия для формирования максимального стока и риска затопления территории и расположенных на ней объектов, а также подобрать для её реализации набор оптимальных методов и приемов разработки прогностических зависимостей, необходимой гидрометеорологической информации и комплекса программно-аппаратного обеспечения. Подбор технических решений и методов прогнозирования для конкретного гидрологического объекта позволяет в максимально короткие сроки провести калибровку и уточнение предложенных прогнозных схем.

2. Применение современных средств измерения гидрологических характеристик. Автоматические измерительные приборы и устройства практически неограниченны в кратности и объеме измерений, что будет способствовать созданию банка данных, отличающегося высокой точностью и достаточностью наблюдений, что в свою очередь повлечет уточнение и совершенствование методов краткосрочного прогноза

3. Автоматизированность всего процесса мониторинга, начиная от получения входной гидрометеорологической информации до выпуска прогнозов различной заблаговременности. Одним из приоритетных направлений развития современной прикладной гидрологии Ю.Б. Виноградов (2008) считает развитие «сверхкраткосрочных» прогнозов, существование которых невозможно при отсутствии автоматизированных систем измерения, передачи и обработки информации. Реализованный нами вариант краткосрочного прогнозирования максимальных уровней воды, обусловленных значительной антропогенной составляющей (влияние Старооскольского водохранилища), также можно отнести к группе «сверхкраткосрочных» прогнозов. В случаях, когда начало развития опасного явления и негативное воздействие на человека, населенные пункты, критически важные, потенциально опасные объекты, объекты инфраструктуры разделяют часы, только автоматизированные системы мониторинга и прогнозирования могут с достаточной заблаговременностью оповестить население, экстренные и оперативные службы и другие заинтересованные субъекты о наступлении опасного явления.

Основные выводы и предложения

1.В результате анализа современных подходов и способов реализации систем мониторинга опасных разливов на реках и водоемах, была предложена принципиальная схема мониторинга и прогнозирования половодья, состоящая из 4 последовательно выполняемых этапов оценки риска затопления территории.

2.На основе многолетних рядов наблюдений за стокоформирующими факторами, выявлено, что основными причинами снижения максимального стока в конце XX - начале XXI являются климатические изменения, среди которых ведущими являются общее повышение температурного фона зимнего периода и

учащение оттепелей, а также снижение запаса воды в снеге и изменение количества осадков в различные фазы половодья. Установлено, что в результате климатических изменений величина слоя стока на водосборах бассейна р. Сейм сократилась на 10-30%, максимальные расходы снизились на 30-50% относительно среднемноголетних значений.

3.Основными антропогенными факторами, снижающими максимальный сток являются произошедшие в середине XX века изменения в структуре и объеме сельскохозяйственного производства, а также строительство прудов и водохранилищ. В настоящее время антропогенные факторы изменения максимального стока играют второстепенную роль.

4. На основе определения статистических характеристик распределения величин максимальных уровней воды и их пространственной экстраполяции была разработана серия карто-схем зон затопления территории г. Курска водами весеннего половодья различной обеспеченности, что позволяет выделить объекты, подверженные периодическому затоплению.

5. Проведение физико-статистического анализа стокоформирующих факторов позволило разработать методы фонового долгосрочного прогнозирования максимального стока, имеющие большую надежность по отношению к существующим методам прогноза основных элементов весеннего стока.

6. Предложены приемы среднесрочного прогнозирования максимального стока и уточнения долгосрочного прогноза основных элементов весеннего половодья с достаточной заблаговременностью и точностью.

7. Разработаны методы краткосрочного прогнозирования максимальных уровней и сроков их наступления для трех гидрологических объектов с различными особенностям формирования максимального стока. Проверка расчетов на независимом материале показала высокую точность предлагаемых методов.

8.0сновными путями совершенствования систем мониторинга гидрологических характеристик и оперативного прогнозирования наводнений и паводков должны стать объектная ориентированность создаваемых систем, базирующихся на предложенной принципиальной четырехуровневой схеме мониторинга и прогнозирования максимального стока, использование современных способов и средств измерения гидрометеорологических величин, а также автоматизирован-ность систем сбора, передачи, обработки и оповещения о вероятности наступления затопления.

С писок основных публикаций по теме диссертации:

1.Монография:

1.Апухтин A.B.. Куманн М.В. Максимальный сток бассейна р. Сейм: условия формирования, современные изменения, методы расчета. -Саарбрюккен: LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG, 2012. 80c.

2.Статьи, опубликованные в издании, рекомендованном ВАК РФ:

2.Кумани М.В.. Апухтин A.B. Современные изменения условий формирования слоя стока весеннего половодья рек Курской области /" Ученые записки: -электронный научный журнал Курского государственною университета. - 2012. - № 1(21). Режим досту па: http:// wwvv.scientific-notes.ru/pdf/021 -37.pdf

3.Кунгурцев С.А. Автоматизированная система оперативного оповещения о разливах рек / С.А. Кунгурцев. С.А. Жуков. В.И. Соловьев, М.В. Кумани. A.B. Апухтин // Экологические системы и приборы. 2012. - № 4 - С. 48 -51.

4.Ку мани М.В.. Апухтин A.B. Разработка метода оперативного прогноза развития гидродинамической аварии и затопления территорий на примере г. Ст. Ос кол /'.' Научные ведомости Белгородского государственного университета. Серия Естественные науки. 2012. - Т. i 8, № 3. - С. 108-119.

5.Кумани М.В.. Апухтин A.B. Краткосрочное прогнозирование затопления территории города Курска в период весеннего половодья /' Водное хозяйство России. -2012. - № 2. С.58-67.

3.Материалы конференций:

6.Апухтин A.B. Современные изменения условий формирования слоя стока весеннею половодья рек Курской области // Материалы молодежной научной школы «Природные и природно-антропогенные геосистемы: организация, изменения во времени», Курск, 201 1, с. 1-2

7.Кунгурцев С.Л. Автоматизированная система оперативного оповещения о разливах рек./ С.А. Кунгурцев. С.А. Жуков, В.И. Соловьев, М. В. Кумани. A.B. Апухтин // Сб. тр. II Между нар. науч.-технической конф. «Компьютерные науки и технологии». Белгород. 201 1. - С. 234-239.

8.Апухтин A.B. Организация геог рафической базы данных для учета и анализа источников чрезвычайных ситуаций // Географические исследования: история, современность и перспективы: материалы междунар. науч.-практической конф.; Курск. 2010. - С. 169-172.

9.Кумани М.В., Апухтин A.B. Принципиальная схема мониторинга и прогнозирования весеннего половодья и методы её реализации //Обеспечение безопасности в чрезвычайных ситуациях: материалы VII Междунар. науч.-практ. конф. Воронеж: ФГБОУВПО «Воронежский государственный технический университет». 2012. 4.4. - С.82-87.

Ю.Апухтин A.B. Долгосрочное прогнозирование максимального стока и затопления территории г. Курска // Науки о Земле на современном этапе: Материалы III Междунар. науч-практической конф. - М.: Спутник+, 2012.-С. 18-21.

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение

1. Методы исследований

1.1 Современное состояние проблемы изучения и прогнозирования максималь но го стока

1.2 Общие представления о возможности возникновения наводнений

1.3 Формирование максимального стока и методы его прогнозирования

1.4. Методы изучения изменений условий формирования весеннего стока 1.5 Предлагаемая принципиальная схема и алгоритм мониторинга и нрогнози рования половодья

2. Определение генезиса формирования высоких уровней воды

2.1 Физико-географические условия формирования максимального стока

2.1.1 Физико-географическая характеристика бассейна р. Сейм

2.1.2 Физико-географическая характеристика бассейна р. Оскол

2.2 Современные изменения условий формирования элементов весеннего половодья

3 Долго и среднесрочное прогнозирование развития половодья

3.1 Анализ риска затопления территории талыми водами

3.2 Долгосрочное прогнозирование водности предстояшего половодья и расчет максимальных уровней воды

3.3 Среднесрочное прогнозирование максимальных расходов и предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды

4.Краткосрочный прогноз стока

4.1 Краткосрочный прогноз максимальных уровней и времени их наступления для г/п р. Оскол - р.п. Раздолье

4.2 Краткосрочный прогноз максимальных уровней воды половодья и времени их наступления для р. Сейм

4.3 Краткосрочный прогноз затопления территории г. Ст. Оскол. обусловленного функционированием водохранилища

5. Пути совершенствования инструментальных методов мониторинга на основе предложенной схемы прогнозирования половодья

Заключение Список литературы Приложения

Изд-во Курского государственного университета 305000, г. Курск, ул. Радищева, д. 33 I кшшсаио в печать 27 03 2012 1 Тираж 100 жч Зака! № 2325

Отпечатано в лаборатории информационно-методического обеспечения КГУ

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата географических наук, Апухтин, Александр Валерьевич, Курск

61 12-11/174

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФГБОУ ВПО «КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи УДК 556.16

АПУХТИН АЛЕКСАНДР ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЕСЕННЕГО СТОКА ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ ТЕРРИТОРИИ

Специальность: 25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор М.В. Кумани

Курск-2012

СОДЕРЖНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................. 3

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ................................................... 8

1.1 Современное состояние проблемы изучения и прогнозирования максимального стока................................................................ 8

1.2 Общие представления о возможности возникновения наводнений........................................................................... 18

1.3 Формирование максимального стока и методы его

прогнозирования..................................................................... 27

1.4. Методы изучения изменений условий формирования весеннего

стока.................................................................................. 44

1.5 Предлагаемая принципиальная схема и алгоритм мониторинга и прогнозирования половодья...................................................... 46

2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕНЕЗИСА ФОРМИРОВАНИЯ ВЫСОКИХ УРОВНЕЙ ВОДЫ..................................................................... 53

2.1 Физико-географические условия формирования максимального стока.............................................................................................................- 53

2.1.1 Физико-географическая характеристика бассейна р. Сейм...... 53

2.1.2 Физико-географическая характеристика бассейна р. Оскол... 62

2.2 Современные изменения условий формирования элементов весеннего половодья.............................................................. 66

3 ДОЛГО И СРЕДНЕСРОЧНОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ПОЛОВОДЬЯ........................................................................... 84

3.1 Анализ риска затопления территории талыми водами.............. 84

3.2 Долгосрочное прогнозирование водности предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды............................ 88

3.3 Среднесрочное прогнозирование максимальных расходов и предстоящего половодья и расчет максимальных уровней воды...... 100

4.КРАТКОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ СТОКА....................................... 105

4.1 Краткосрочный прогноз максимальных уровней и времени их наступления для г.п. р. Оскол - р.п. Раздолье................................ 105

4.2 Краткосрочный прогноз максимальных уровней воды половодья и времени их наступления для р. Сейм.......................................... 111

4.3 Краткосрочный прогноз затопления территории г. Ст. Оскол, обусловленного функционированием водохранилища.................. 129

5. ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ МОНИТОРИНГА НА ОСНОВЕ ПРЕДЛОЖЕНОЙ СХЕМЫ

ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОЛОВОДЬЯ............................................ 135

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 140

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................... 142

ПРИЛОЖЕНИЯ........................................................................ 157

ВВЕДЕНИЕ

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- разработка принципиальной многоуровневой схемы мониторинга и прогнозирования весеннего стока;

Объект исследования - реки и максимальный сток с их водосборов.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Многоуровневая система мониторинга и прогнозирования максимальных расходов и уровней воды весеннего половодья.

2. Результаты изучения современных изменений условий формирования максимального стока.

3. Оценка риска затопления территории в многолетней перспективе и в условиях конкретного года.

4. Алгоритм и основные зависимости для краткосрочного прогнозирования расходов и уровней воды, а также времени их наступления.

Теоретическая и методологическая база исследований

Методологической основой исследования являются современные представления о генезисе формирования максимального стока, развиваемые ведущими отечественными школами и научно-исследовательскими организациями в области гидрологии суши, инженерной и прикладной гидрологии, а также гидрологических прогнозов.

Выбор методов исследования определен результатами исследований

Аполлова Б.А., Вершининой Л.К., Георгиевского Ю.М., Дружинина В. С.,

Евстигнеева В.М., Калинина Г.П., Комарова В.Д., Крестовского О.И., Кучмента

JI.C., Рождественского A.B., Сикан A.B., Шаночкина C.B., Шелутко В.А. и других ученых.

При исследовании региональных особенностей и закономерностей формирования стока использовались результаты исследований Кумани М.В., Мишона В.М., Смольянинова В.М. и других ученых.

Исходные материалы и методы исследования

Достоверность результатов

Научная новизна

прогностические зависимости для обеспечения функционирования системы дистанционного контроля, моделирования и прогноза динамики половодья. Разработаны рекомендации по организации системы оперативного сбора прогностической информации, определения рисков затопления территории и объектов.

Личный вклад

Автору принадлежит основная идея и постановка задач исследования. Им выполнен сбор и систематизация исходных данных, проведен анализ условий формирования максимального стока и разработаны прогнозные зависимости для расчета основных элементов весеннего половодья с разной заблаговременностью для трех объектов с различным генезисом формирования половодья. Автором проведен глубокий анализ полученных результатов, на основе чего были разработаны рекомендации по усовершенствованию инструментальных методов мониторинга развития половодья.

Практическое значение работы

Апробация работы

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 10 печатных работ, из них 1 монография, 4 статьи в журналах, находящихся в перечне изданий, рекомендованных ВАК. Материалы исследований опубликованы в ряде научно-исследовательских отчетов ООО «Н1111 «Энергетические и информационные технологии» БелГУ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Основной текст изложен на 174 страницах, включая 13 таблиц, 61 рисунок и список литературы, состоящий из 134 наименований, в том числе 6 на иностранном (английском) языке.

1. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Современное состояние проблемы изучения и прогнозирования максимального стока

Прогнозирование возможности возникновения опасных разливов на реках является сложной многоуровневой задачей, актуальность которой обусловлена состоянием современных хозяйственных систем, их уязвимостью. В зонах, подверженных негативному влиянию паводковых явлений и половодий находится большое количество населенных пунктов, потенциально опасных и критически важных промышленных объектов, объектов инфраструктуры и сельскохозяйственных угодий [Никольский, Тарарин, 2009].

Воробьев Ю.Л., Акимов В.А., Соколов Ю.И. отмечают, что в области эффективного обеспечения готовности и осуществления превентивных мер одним из наиболее действенных средств для снижения ущерба является хорошо функционирующая система раннего предупреждения. В Бангладеш, например, сильный тропический циклон в 1970 г. унес 300 000 человеческих жизней, в то время как аналогичные циклоны в 1992 и 1994 гг. стали причиной, соответственно, 13 000 и 200 смертей, что объясняется улучшением прогнозов, соответствующим увеличением заблаговременного предупреждения и эффективностью систем реагирования [Воробьев и др., 2003].

Следует так же отметить, что величина ущерба от опасных разливов на

водотоках и водоёмах не зависит на прямую от высоты паводков и половодий, а

сопряжена в первую очередь с предсказуемостью развития данных процессов.

При достаточно достоверной информации о сроках и характеристиках

прогнозируемых опасных явлений существует возможность разработки

эффективных превентивных мер по недопущению, либо минимизации

реализации риска [Пчелкин и др., 2011]. Наибольший ущерб всегда наносили

паводки и половодья, которые либо были спрогнозированы с грубыми

ошибками, либо развитие которых сопрягалось с неучтенными факторами

(например, образованием заторов и зажоров, переменных подпоров,

нарушением правил и технологии пропусков паводков и половодий на

гидротехнических сооружениях и пр.) [Борщ, Мухин, 2000; Нежиховский, Бузин, 1977; Репринцев, Тарабаев, 2002]

Мировая практика позволяет утверждать, что затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к стихийным бедствиям в 15 раз ниже затрат на предотвращение причиненного ущерба. К сожалению, пока прогнозирование природных ЧС представляет собой весьма сложную и слабо разработанную проблему [Воробьев и др., 2003].

Генезис формирования высоких вод очень разнообразен: весеннее половодье, связанное с таянием снега, ливневые паводки, волны прорыва крупных водохранилищ или неудачный сброс через их плотины, резкое таяние ледников и снега в горах [Крицкий, Менкель, 1981]. Наиболее актуальны для большей части России является проблема затопления в период весеннего половодья [Виссмен, и др., 1979; Нигметов и др., 2003; Шахраманьян и др., 2003].

Современной наукой накоплен значительный объем теоретических и практических знаний о процессах формирования весеннего половодья. Основные исследования, сформировавшие фундаментальные представления о процессах формирования половодья были проведены в начале-середине XX в. В этот период были проведены широкомасштабные полевые и теоретические исследования, результатом которых являются современные представления о взаимодействии разнообразных метеорологических, географических, физических и других факторов, обуславливающих возможность и характер прохождения весеннего снеготаяния и образования стока весеннего половодья.

Нестационарность рядов гидрологических характеристик, вызванная антропогенными и естественными изменениям заметно усложняет использование классических методов оценки и прогноза стока. А в связи с тем, что в настоящее время происходит сокращение сети станций гидрометеорологических наблюдений, а потребность в гидрологических прогнозах и их качестве неуклонно растет, возникает острая необходимость поиска новых эмпирических связей между стоком реки и факторами его обуславливающими.

Одним из наиболее значимых направлений в современных гидрологических исследованиях является создание математических моделей [Beven , Freer, 2001; Bronstert., Plate, 2005]. Собственно математические модели в практике гидрологических прогнозов начали разрабатываться и применяться начиная с 70-х гг. XX в., хотя первые математические модели были разработаны гораздо раньше. Именно с этим направлением связывается возможность решения многих проблем современной гидрологии [Calver, Wood, 1995]. На сегодняшний момент разработке и применению математиче

Информация о работе

Апухтин, Александр Валерьевич
кандидата географических наук
Курск, 2012
ВАК 25.00.27

Диссертация

Прогнозирование весеннего стока для предупреждения риска затопления территории - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы