Содержание к диссертации
Стр.
Введение 3
Глава I. Современное состояние исследований явления и прогнозирования
катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми заторами на реках
1.1. Обзор исследований в области процессов заторообразования и прогнозирования
зимних наводнений 9
Факторы, влияющие на процесс заторообразования 10
Места образования заторов 11
Классификация заторов 12
Механизмы образования затора 15
1.2. Методы прогнозирования заторных уровней 19
1.2.1. Определение максимальных заторных уровней воды при наличии
данных многолетних гидрометрических наблюдений 21
Определение максимальных уровней воды при заторах на зарегулированных участках реки 24
Определение максимальных уровней воды при формировании затора
при отсутствии данных многолетних гидрометрических наблюдений 25
1.2.4. Определение максимальных уровней воды при заторе на реке
заданной вероятности с помощью площади поперечного сечения русла 28
1.2.5. Определение наивысшего уровня воды с помощью кривых распределения...30
Прогнозирование заторных уровней при зимних наводнениях 34
Краткосрочные прогнозы появления льда на водных объектах 38
Математическое моделирование заторообразования и распространения примеси.. .41
Математическое моделирование заторообразования 42
Моделирование распространения загрязняющих веществ в открытых потоках и подо льдом 45
Глава II. Теоретическое обоснование комплексной математической модели по прогнозированию чрезвычайных экологических ситуаций
2.1. Постановка задачи 46
2.2. Модель заторообразования
2.2.1. Основные уравнения 49
2.2.2.Начальные и граничные условия 51
2.2.3. Параметры задачи и алгоритм расчета 53
2.3. Моделирование распространения примеси при катастрофических
зимних наводнениях в условиях образования затора 56
Глава III. Результаты численных расчетов.
3.1. Результаты 2D моделирования формирования и развития заторов нодныривания
Исходные параметры задачи 60
Результаты расчетов по модели 62
Анализ результатов и выводы 75
3.2.Результаты моделирования распространения примеси при катастрофических зимних наводнениях и в условиях образования ледовых заторов.
Исходные параметры задачи 76
Результаты моделирования 76
3.3. Интегральная характеристика для опенки факторов ЧЭС 82
Глава IV Натурные исследования взаимодействия волны попуска с ледяным покровом.
4.1. Район исследований и климатические условия 84
4.1.1. Гидрологические условия на р.Оредеж к моменту начала
натурных исследований 87
4.2.Мстодика проведения эксперимента, приборы и оборудование 88
Гидрологические условия во время проведения эксперимента 90
Основные результаты эксперимента 91
4.3. Обсуждение результатов и верификация математической модели 93
Заключение 101
Список литературы 103
Введение к работе
Актуальность работы
Проблема прогнозирования и смягчения последствий катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми явлениями, все более остро встает в последнее время в связи с освоением северных территорий Российской Федерации, строительством новых гидротехнических сооружений и эксплуатацией различных промышленных предприятий, потенциально опасных как источники загрязнений и расположенных вблизи водотоков, подверженных наводнениям. Актуальность исследований ледовых явлений для России, где все реки и водохранилища в течение большой части года покрыты льдом, непосредственно связана с необходимостыо прогнозирования прогнозирования ледовых заторов, в результате которых наблюдаются критические подъемы уровня воды за короткий промежуток времени, намного превышающие максимальные уровни весенних половодий, что служит одной из основных причин возникновения чрезвычайных ситуаций.
В последнее время участились случаи возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с наводнениями на крупных российских реках и прилегающих к ним территориях. Частично проблема связана с весенним половодьем, частично- с неграмотным регулированием водных потоков. Критический подъем паводковых вод приводит к затоплению обширных территорий, прилегающих к водным объектам. Тем самым, под угрозой затопления оказываются не только населенные пункты, но и объекты промышленного значения. А это, в свою очередь, предполагает возможность загрязнения водной среды различными химическими реагентами, что может привести к возникновению катастрофических ситуаций.
Цель работы состоит в построении численных моделей для расчета и прогноза формирования ледовых заторов, динамики вызванных ими изменений уровня и расходов воды, переноса примесей и разработке на основе этих моделей методов исследования и прогноза катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми явлениями.
Основные задачи связаны с выявлением основных факторов формирования ледовых заторов на реках, алгоритмизации этого процесса с целью разработки математических моделей для его исследования и прогноза экологических последствий
катастрофических заторных наводнений и распространения загрязнений в условиях образования заторов.
Поставленная цель предопределяет объединение нескольких задач: расчет характеристик нестационарного потока, учет воздействия ледяного покрова, моделирование заторов и расчет переноса примеси. Большое количество параметров, привносимых этими задачами, вынуждает ограничиться на первом этапе одномерным приближением, чтобы выделить основные закономерности и служить теоретической основой для расчетов параметров наводнений, вызванных заторами, затопления пойменных участков и распространения загрязнений на них, для реализации которых необходимо решать задачу уже в двухмерной постановке.
Исследования в области заторо- и зажорообразования и прогнозирования наводнений активно ведутся с середины прошлого века. Значительный вклад в изучение причин и условий образования ледовых заторов, а также прогнозирования максимальных заторных уровней внесли В.П. Берденников, Г.И. Болотников, В.А.Бузин, Я.Л. Голтлиб, Н.Н.Гришин, Е.И. Дебольская, Р.В. Донченко. М.А. Жукова, Д.В. Панфилов, Б. Мишель, Дж. Кеннеди и др.
К настоящему моменту накоплен достаточно большой материал по изучению явления заторообразования, проведена классификация заторов [34]. Выявлены эмпирические зависимости между максимальными заторными уровнями и факторами, влияющими на процессы заторообразования. (В.А.Бузин, М.А. Жукова) Проведена систематизация существующих расчетных и прогностических методов. (В.А.Бузин, М.А. Жукова, Р.В. Донченко).
Для анализа и прогнозирования различных ледовых явлений недостаточно простых представлений о самом процессе и наблюдении за ним в натурных условиях. Вот почему численное моделирование процессов заторообразования в последнее время стало наиболее востребованным и динамично развивается благодаря разработке новых численных схем и методов моделирования. К тому же, математическое моделирование позволяет проводить расчеты непосредственно для масштабов природных процессов, что позволяет отказаться от пересчетов результатов эксперимента на натуру, а так же, получать широкий набор решений в большом диапазоне исходных данных. Это существенно облегчает выделение роли отдельных факторов влияющих на тот или иной процесс. [16]
Был разработан ряд математических моделей, изучающих явление заторообразования и распространения загрязнений в водотоках, что также позволяет
изучать катастрофические последствия, возникающие при ЧЭС и делать соответствующие прогнозы. [17], [25], [46]
Моделирование явлений заторообразования можно разделить на два направления: собственно моделирование образования затора (времени, места, мощности), и моделирование подъема критических уровней воды в результате образовавшегося затора и определение зоны затопления. Тем более, что собственно измерения в этот период проводить практически невозможно. С другой стороны «физическое» моделирование в лабораторных условиях дает только качественную картину процесса. Трудности лабораторного эксперимента при исследовании заторных явлений связаны также с невозможностью моделирования физико-механических свойств ледяного покрова, слишком большим количеством моделируемых параметров и необходимых критериев подобия, невозможностью пересчета получаемых результатов на «натуру».
В последнее время, для решения различных технологических и экологических задач, например, для прогноза качества воды, поступающей в водозабор, наметилась необходимость в разработке методов и моделей по расчету распространения загрязняющих веществ в водной среде в зимний период.
Методика исследования
Основными методами решения поставленных задач были:
обобщение известных достижений в области гидродинамики подледных потоков и теории разрушения ледового покрова;
изучение современных представлений об особенностях формирования ледовых заторов на водотоках, прогнозировании катастрофических ситуаций, вызванных естественным стеснением русла, распространении неконсервативной примеси под ледяным покровом;
построение математических моделей формирования ледовых заторов и распространения загрязняющих веществ в водотоке в условиях заторообразования;
проведение натурных исследований с целью верификации модели;
разработка методики прогнозирования чрезвычайных экологических ситуаций на основе анализа данных, полученных при моделировании.
Научная новизна
Впервые была создана двухмерная математическая модель образования ледового затора и распространения наводнения, вызванного им, а также распространения загрязняющих веществ в водном потоке в условиях заторообразования.
Новые оригинальные натурные исследования взаимодействия волны попуска с ледяным покровом в нижнем бьефе ГЭС с целью верификации модели.
Практическая значимость работы
Разработана методика прогнозирования чрезвычайных экологических ситуаций в зимний период на водных объектах на основе численного моделирования и данных натурных наблюдений.
Апробация работы
Основные результаты работы изложены в 2-х статьях (Водные ресурсы) и 3-х тезисах докладов (Научно-практическая конференция МЧС).
Содержание работы
В первой главе рассмотрены современные методы расчетов максимальных заторных уровней при возникновении наводнений вследствие наличия ледовых затруднений на водотоке. Рассмотрены некоторые методы прогнозов возникновения наводнений в результате ледовых затруднений на реках. Рассмотрены существующие математический модели заторообразования и распространения примеси в водотоке.
Во второй главе дано теоретическое обоснование моделей. Рассмотрены основные уравнения, граничные и начальные условия, основные параметры задачи, представлены алгоритм и методика расчета.
В третьей главе приведены результаты численных расчетов по модели заторообразования. Так же приведены результаты численных расчетов по модели распространения примеси в условиях заторообразования.
В четвертой главе представлены результаты экспедиционных исследований и анализ данных, полученных в результате проведения натурного эксперимента. Проведена оценка
адекватности математических моделей исследуемому процессу распространения волны попуска при наличии ледяного покрова
В заключении приведена общая характеристика и основные выводы по результатам диссертации.
Защищаемые положения:
- создан инструмент в виде комплекса математических моделей для изучения явления заторообразования и распространения загрязняющих примесей в условиях заторных наводнений.
- разработана методика прогнозирования возникновения ЧС в результате возникновения заторов на реках.
- разработка методики и предварительных рекомендаций по предотвращению заторов, смягчению последствий чрезвычайных экологических ситуаций
