Исследование условий потенциального затопления территорий в период весеннего паводка

Автор: Данзиев Раман Мирзагасан Оглы, Мутталибова Шафаг Фируддин Гызы, Исмаилов Камал Хейраддин Оглы, Абдулов Рауф Нусрат Оглы

Журнал: Природные системы и ресурсы @ns-jvolsu

Рубрика: География и геоинформатика

Статья в выпуске: 2 (16), 2016 года.

Бесплатный доступ

Половодья и паводки являются наиболее часто встречающимся видом наводнения. В обширной литературе по наводнениям рассмотрены такие вопросы, как интенсивность нарастания уровня воды при затоплении, продолжительность затопления, размер наводнения, ущерб от наводнений и т. д. Однако вопросу выяснения условий потенциального затопления территорий из-за половодья или паводка уделено недостаточное внимание. В настоящей статье излагается предлагаемый метод определения условий потенциального затопления в период весеннего паводка и приводятся результаты проведенных модельных исследований. Показано, что использование известных регрессионных зависимостей между такими показателями процесса затопления, как расход воды через поперечное сечение канала, ширина канала, высота уровня воды, дренажный участок, то есть участок подтопления позволяет определить условия возможности потенциального затопления участка. Приведен краткий обзор существующих регрессионных зависимостей между показателями процесса наводнения и дренажным участком. Выявлено условие потенциальной возможности затопления участка при критическом подъеме уровня вод в каналах.

Еще

Паводки, регрессия, дренаж, канал

Короткий адрес: https://sciup.org/149131390

IDR: 149131390   |   DOI: 10.15688/jvolsu11.2016.2.5

Текст научной статьи Исследование условий потенциального затопления территорий в период весеннего паводка

DOI:

Хорошо известно, что половодья и паводки являются наиболее часто встречающимся видом наводнения. Половодья формируются за счет таяния снежного покрова, а паводки образуются из-за интенсивных дождей [4; 9]. Прогнозы объема (максимального расхода воды половодья и паводков) разработаны достаточно подробно [2; 6; 8; 14; 19; 20]. В настоящее время в обширной литературе по наводнениям рассмотрены различные аспекты этого процесса такие вопросы, как интенсивность нарастания уровня воды при затоплении, продолжительность затопления, размер наводнения, ущерб от наводнений и т. д. [1; 5; 7; 10–12; 15; 17].

Вместе с тем, как нам представляется, вопросу выяснения условий потенциального затопления территорий из-за половодья или паводка уделено недостаточное внимание.

В настоящей статье излагается предлагаемый метод определения условий потенци- ального затопления в период весеннего паводка и приводятся некоторые результаты проведенных модельных исследований.

Постановка задачи

Как отмечается в работе [16], существует ряд индикаторов перелива с переполненного русла каналов и рек (рис. 1), к которым относятся:

  • 1)    точка преломления (1) плоскости наводнения – является местом дискретного перехода от около вертикального положения к около горизонтальному положению склона русла;

  • 2)    точка сгиба (2) является последней идентифицируемой точкой на склоне русла реки;

  • 3)    линия дискретной вдавленной врезки на склоне русла (3);

  • 4)    обычный уровень воды в канале (4);

  • 5)    верхний уровень берега (5).

Затопление из-за переполненного русла реки тесно связано с дренажным участком, то есть с участком затопления.

Рис.1. Профиль реки и характерные индикаторы в поперечном сечении канала

Существует следующее регрессионное уравнение между этими величинами [3]:

Qb = a • DAb, где Qb – общий объем прибывающей воды, м3/с; DA – участок дренажа, кв. км.

Некоторые примеры затопления участков с переполненного русла каналов и рек и значения их соответствующих коэффициентов приведены в таблице 1 [2].

Согласно [16] существует регрессионная связь между показателями поперечного сечения переполненного канала и дренажным участком, то есть с площадью затопления:

S = 13,17 • DA °-75

W = 13,87 • DA 0 -4* ,

D = 0,95 • DA °-31

где S – площадь поперечного сечения канала; W – ширина канала; D – глубина канала.

Как определено в работе [13], расход воды через край переполненного канала обозначает тот объем воды, прибытие которого повысило уровень воды в канале до предельного уровня и далее образовался затопленный участок. Основной показатель прибывающей и расходуемой с краев канала воды является показатель «расход через край» (bankfull discharge), измеряемый в куб. футах/с. На рисунке 2 приведены основные показатели канала, где Bbf – ширина переполненного канала; Hbf – глубина переполненного канала; BDA – условная ширина дренажного участка; Bn – нормальная ширина канала; Hn – нормальная высота воды.

Согласно работе [18] существуют следующие регрессионные оценки зависимости между такими показателями, как расход через край Qbf , затопляемая площадь ( DA ), ширина переполненного канала Wbf , глубина переполненного канала Dbf .

Qbf = a, • DAb1,(1)

Wf = a2 • DAb2,(2)

Dbf = aз • DA3,(3)

где коэффициенты a i , b i , i = 1,3 являются постоянными величинами, характерными для данной местности.

Таблица 1

Коэффициенты затопления участков

a

b

n

R 2

Географический участок

34,02

0,94

14

0,99

Плато Аллегени

84,56

0,76

23

0,93

Мериленд Пидмонт

285

0,50

34

0,63

Ал Пидмонт

Примечание . Здесь n – количество исследованных случаев; R – коэффициент детерминации.

Рис. 2. Поперечное сечение переполненного канала при половодье с указанием основных параметров

Целью настоящей статьи является вывод основных аналитических условий, определяющий потенциальную возможность затопления участков с показателем «расход воды» и параметрами переполненного канала.

Решение задачи

Очевидно, что водная масса над участком затопления обозначаемая далее как V 1, а также водная масса, приводящая к росту глубины канала на величину Δ D = Dbf Dn , обозначаемая далее как V 2, связана с показателем «расход воды через край» Q следующим образом

Qbf • T = V1 + V2,(4)

где T – время пребывания воды в канал.

Показатель V 1 определим как

V = DA • Dda .(5)

Показатель V 2 определим как

V2 = L • Wf • (Df -Dn),(6)

где L – длина канала.

С учетом выражений (1)–(6) получим:

a1 DA b T =

DA • Dn, + L • a ADA2 • (aDA3 - D„).

DA        2           3

Из выражения (7) можно вычислить DDA по формуле

D da = a , DA b 1 - 1 T - L a 2 DA b 2 '

(aзDAb3 - Dn)

Таким образом, полученное выражение (8) позволяет вычислить высоту паводковой воды в затопленной местности.

Условие потенциального затопления с учетом (8) при DDA = 0 имеет вид

T a 2 DA ( b 2 - b ) ( a 3 DAb 3 - D n ).          (9)

Таким образом, при наличии данных о значениях показателей T, L, a2, DA, b2, b1, a3, b3, Dn наличие потенциальной угрозы появления затопления может быть определена с использованием условия (9). Условие (9) определяет физическую возможность появления (почти нулевого) уровня потоплений на участке DA.

Модельные исследования

Проведем модельное исследование. Согласно [18] для условного 4-го гидрологического региона выражения (1)–(3) имеют вид:

Qbf = a, • (DA)b1,(10)

Wbf = a 2 • (DA)b2,(11)

Dbf = a 3 • (DA)b3.(12)

Из выражения (8) при DDA = 0 получим a, • DAb1-1 • T =

= L a 2 DAb 2 - 1 ( a 3 DAb 3 - D n ) .

Из выражения (13) имеем

T

L

a 2 DAb 2 - 1 a 1 DA b 1 - 1

• ( a 3 DAb 3

- D n ).

В таблице 2 [18] приведены значения используемых коэффициентов a i , b i , i = 1,3 .

Таблица 2

Значения коэффициентов a i , b i , i = 1,3

a 1

a 2

a 3

b 1

b 2

b 3

117,25

17,07

1,05

0,78

0,46

0,32

С учетом данных в таблице 1 получаем:

T

L

17.07

117.25

DA 032

(1.05 DA 032 - 5)

Таким образом, условие потенциального возникновения затопления на участке имеет вид DA.

^ ^секь , 17.07 DA 032

L ( фут )    117 25

(1.05 DA °.32 - 5)

Например, при DA 106 кв. фут. получим

т

T L ≥155, (16) где T измеряется в секундах, а L – в футах. То есть при данных (10)–(12) для начала затопления на участке DA = 106 кв. фут. должно быть удовлетворено условие (16).

Заключение и выводы

Таким образом, показано, что использование известных регрессионных зависимостей между такими показателями процесса затопления, как расход воды через поперечное сечение канала; ширина канала; высота уровня воды; дренажный участок, то есть участок подтопления, позволяет определить условия возможности потенциального затопления участка.

Сформулируем основные выводы проведенного исследования:

  • 1)    приведен краткий обзор существующих регрессионных зависимостей между показателями процесса наводнения и дренажным участком;

  • 2)    выявлено условие потенциальной возможности затопления участка при критическом подъеме уровня вод в каналах.

Список литературы Исследование условий потенциального затопления территорий в период весеннего паводка

  • Боровиков, В. В. Использование имитационного моделирования при оценке экономической активности алгоритмов управления УГВ на осушительно-увлажнительных системах / В. В. Боровиков, Э. Н. Шкутов // Вопросы проектирования и эксплуатации мелиоративных систем. - Минск: Ураджай, 1984. - С. 66-76.
  • Гинко, С. С. Катастрофы на берегах рек / С. С. Гинко. - Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 128 с.
  • Карасев, И. Ф. Речная гидрометрия и учет водных ресусов / И. Ф. Карасев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 310 с.
  • Лашкевич, Т. И. Водный режим почвы и продуктивность зерновых культур / Т. И. Лашкевич // Регулирование водного режима торфяных и минеральных почв. - Минск: Ураджай, 1981. - С. 46-52.
  • Лебедев, В. В. Гидрология и гидромеирия в задачах / В. В. Лебедев. - Л.: Гидрометеоиздат, 1961. - 699 с.
Статья научная