автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Математическое моделирование чрезвычайных экологических ситуаций, вызванных ледовыми заторами на реках

Введение.

Глава I. Современное состояние исследований явления и прогнозирования катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми заторами па реках 1.1. Обзор исследований в области процессов заторообразовапия и прогнозирования зимних наводнений.

1.1.1. Факторы, влияющие на процесс заторообразовапия.

1.1.2. Места образования заторов.

1.1.3. Классификация заторов

1.1.4. Механизмы образования затора.

1.2. Методы прогнозирования заторных уровней.

1.2.1. Определение максимальных заторных уровней воды при наличии данных многолетних гидрометрических наблюдений.

1.2.2. Определение максимальных уровней воды при заторах на зарегулированных участках реки.

1.2.3. Определение максимальных уровней воды при формировании затора при отсутствии данных многолетних гидрометрических наблюдений.

1.2.4. Определение максимальных уровней воды при заторе на реке заданной вероятности с помощью площади поперечного сечения русла.

1.2.5. Определение наивысшего уровня воды с помощью кривых распределения.

1.3. Прогнозирование заторных уровней при зимних наводнениях.

1.4. Краткосрочные прогнозы появления льда на водных объектах.

1.5. Математическое моделирование заторообразования и распространения примеси.

1.5.1. Математическое моделирование заторообразования.

1.5.2. Моделирование распространения загрязняющих веществ в открытых потоках и подо льдом.

Глава II. Теоретическое обоснование комплексной математической модели по прогнозированию чрезвычайных экологических ситуаций

2.1. Постановка задачи.

2.2. Модель заторообразовапия

2.2.1. Основные уравнения.

2.2.2.Начальные и граничные условия.

2.2.3. Параметры задачи и алгоритм расчета.

2.3. Моделирование распространения примеси при катастрофических зимних наводнениях в условиях образования затора.

Глава III. Результаты численных расчетов.

3.1. Результаты 2D моделирования формирования и развития заторов иодныривания

3.1.1. Исходные параметры задачи.

3.1.2. Результаты расчетов по модели.

3.1.3. Анализ результатов и выводы.

3.2.Результаты моделирования распространения примеси при катастрофических зимних наводнениях и в условиях образования ледовых заторов.

3.2.1. Исходные параметры задачи.

3.2.2. Результаты моделирования.

3.3. Интегральная характеристика для оценки факторов ЧЭС.

Глава IV Натурные исследования взаимодействия волны попуска с ледяным покровом.

4.1. Район исследований и климатические условия.

4.1.1. Гидрологические условия на р.Оредеж к моменту начала натурных исследований.

4.2.Методика проведения эксперимента, приборы и оборудование.

4.2.1. Гидрологические условия во время проведения эксперимента.

4.2.2. Основные результаты эксперимента.

4.3. Обсуждение результатов и верификация математической модели.

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 необходимостью 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 возникиовения 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 па них, для реализации которых необходимо решать задачу уже в двухмерной постановке.

Исследования в области заторо- и зажорообразовапия и прогнозирования наводнений активно ведутся с середины прошлого века. Значительный вклад в изучение причип 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. Допчепко. М.А. Жукова, Д.В. Панфилов, Б. Мишель, Дж. Кеннеди и др.

К настоящему моменту накоплен достаточно большой материал по изучению явления заторообразовапия, 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 5 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 па 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 па реках.

- разработка методики и предварительных рекомендаций по предотвращению заторов, смягчению последствий чрезвычайных экологических ситуаций

Основные результаты.

В связи в часто проявляющимися, в нашей стране, весенними паводками, в последнее время возникает необходимость в разработке методик прогнозирования возможных катастрофических ситуаций в зимний период, связанных с распространением загрязняющих веществ в водотоке при активных ледовых явлениях. При этом необходим тщательный анализ ситуации с выявлением основных факторов, влияющих па процесс. При развитии катастрофических ситуаций практически невозможно проводить натурные измерения, лабораторное же моделирование помимо обычных для открытых потоков трудностей встречает еще дополнительную проблему моделирования разрушаемого ледового покрова.

Поэтому развитие методики прогнозирования чрезвычайных экологических ситуаций, вызванных ледовыми явлениями, основанные на математическом моделировании, представляются наиболее приоритетными. Проводя численные расчеты, мы получили возможность проанализировать большое количество вариантов развития ситуации с различными сочетаниями параметров задачи, приводящими к образованию заторов и наиболее неблагоприятному сценарию распространения и накопления загрязняющих веществ на затапливаемых территориях. Тем самым - можно выявить наиболее значимые факторы и их сочетания, влияющие на распространение загрязняющих веществ во время образования ледового затора, оценить степень и площади загрязнения в результате образовавшегося зимнего наводнения.

После выявления основных, негативно влияющих на развитие ситуации факторов, можно уже разрабатывать ряд превентивных мер для их устранения.

По диссертации основными результатами можно назвать: 1 .Разработаны двухмерные модели образования заторов и зимних наводнений, распространения примеси в условиях заторообразования

2. Модель протестирована по данным натурных наблюдений

3. На основе численного моделирования созданы методики расчетов параметров чрезвычайных экологических ситуаций

4. Показано:

- основными факторами заторообразования и распространения примеси при этом зимнем наводнении являются интенсивность волны возмущения, кривизна русла, величина поперечпого уклона поймы, положение кромки сплошного ледяного поля (размер приплотинной полыньи), толщина льда;

5. Выявлена степень влияния на заторообразование и распространение примеси каждого их этих факторов;

6.Наиболее значимым фактором загрязнения, вызванного затоплением источника, расположенного на пойме, является величина поперечного уклона поймы;

7. Решение модельной задачи о распространении загрязнений в одномерной постановке не позволяет дать оценку экологической опасности;

8. Распределение примеси зависит от момента образования затора;

9. Предложена интегральная характеристика для оценки степени загрязнения в условиях наводнений.

Практическое применение.

Используя разработанную комплексную модель можно для конкретного водного объекта, с находящимся поблизости потенциально опасным предприятием или другим промышленным объектом, выявить опасное сочетание тех или иных факторов, при неблагоприятном сочетании которых возможно проявление катастрофической ситуации. После проведенного анализа и выявления основных негативных факторов, данная информация может быть передана службам МЧС либо местным властям для дальнейшего использования.

Заключение.

1. Ц.Абраменков Н.М. Моделирование процесса замерзания шугоносных рек.- Москва.: Гидрометеоиздат, 1984.

2. Баклановская В.Ф., Пальцев Б.В., Чечель И.И. О краевых задачах для системы уравнений Сен-Веиана на плоскости // Журнал вычислительной математики и мат.физики.- 1979.- Т.19, №3.- С.3-21

3. Берденников В.П. Условия шугохода в зоне в зоне кромки льда при формировании затора// Труды ГГИ. вып. 93. 1962г.

4. Берденников В.П. Методы расчетов давления зажорных и заторных массльда на сооружения// Труды ГГИ.-1967.- Вып. 148.

5. Берденников В.П. Модельные исследования механизма заторообразования для обеспечения схемы ледозадержания на р. Днестре и определение ледовых нагрузок// Труды ГГИ.- 1974.- вып. 219.

6. Берденников В.П, Шматков В.А. II Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда.-ГГИ.- 1976.

7. Болотников Г.И. Исследования ледовых явлений на гидравлических моделях речных участков//Труды ГГИ.- 1989.-вып. 345.

8. Бреховских В.Ф, Дебольская Е.И, Дебольский В.К., Мордасов М.А Исследование процессов распространения загрязняющих веществ в приливных руслах северных рекII Водные ресурсы.- 1997. Т.24, №5.- С. 532-536

9. Бузии В.А. Методы расчета и прогноза зажорных и заторных уровней воды// ГГИ.-1995.

10. Бузии В.А., Исследования в области расчетов заторных уровней воды// Метеорология и гидрология.- 1989.- №3,- С. 95-98

11. Васильев А.А. Опыт численного расчета переноса загрязняющих веществ в реках // Метеорология и гидрология.- 1987.-№7

12. Волъцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды.- JL: Гидрометеоиздат, 1977.

13. Ганьон А., Хаусер Р., Паризе Е. Образование и развитие ледяного покрова на реках// Материалы II конгресса МАГИ.- JL: 1965.

14. Голтлиб Я.Л., Донченко Р.В., Пехович Л.И., Соколов И.Н. Лед в водохранилищах и нижних бьефах ГЭС.- Л.: Гидрометеоиздат. 1983г.

15. Гришин Н.Н. Механические свойства ледяного покрова рек.- Москва.: ИВП АН, 1979.

16. Грушевский М.С. Численный эксперимент как метод исследования неустановившегося движения воды в естественных руслах// Труды ГГИ.- 1966.- вып. 136

17. Дебольская Е.И. Динамика водных потоков с ледяным покровом.- Москва: ИВП РАН и МГУ П.- 2003.

18. Деев Ю.А., Попов А.Ф. Весенние заторы в русловых потоках.- Л.: Гидрометеоиздат,1973.-с. 110

19. Добровольская З.Н., Епихов Г.П., Корявов П.П., Моисеев Н.Н. Математические моделидля расчета динамики и качества сложных водных систем// Водн. Ресурсыю- 1981.-№3

20. Донченко Р. В. Закономерности образования зажоров льда в нижних бьефах ГЭС// Труды ГГИ.- 1974.- вып. 219

21. Донченко Р. В. Методы расчета заторных и зажорных уровней воды на зарегулированных участках рек// ГГИ.- 1986г.

22. Донченко Р.В. Ледовый режим рек СССР// JI: Гидрометеоиздат.- 1987.

23. Донченко Р.В., Щеголева Е.В., Коробко А.С. Закономерности формирования и распространения заторов льда на реках СССР // Труды ГГИ.-982, вып. 287, с 3-15

24. Жукова М.А. Заторы льда на реках бассейна Северного Ледовитого океана и расчет наивысших заторных уровней воды// ГГИ.- 1978г.

25. Зайцев А.А., Кочетков В.В., Савельев Р.А., Третьюхина Е.С. Основы численного моделирования наводнений, вызванных заторами льда// Труды VI Конференции Динамика и термика рек, водохранилищ и прибрежной зоны морей.- Москва.- 2004г.

26. Исследования неустановившегося движения воды на р.Свирь в зимних и летних условиях// ГМИ.-Л.: 1965г. 252с.

27. Карнович В.Н. Влияние интенсивности подъема уровня воды на процесс заторообразования и возможности прогноза максимальных заторных уровней// Труды координационных совещаний по гидротехнике.- 1970.- Л.: вып. 56

28. Козицкий И.Е. О некоторых особенностях влияния морфометрии русла на процессы вскрытия и заторообразования// Метеорология и гидрология.- Гидрометеоиздат. 1.-№6.

29. Котляков А.В., Мордасов М.А., Исаев Д.И., Иванов В.А., Грицук И.И., Шипов Д.В. Динамика течений в покрытом льдом нестационарном потоке в нижнем бьефе гидроузла во время прохождения воли попусков (натурные исследования)// Водные ресурсы (в печати)

30. JIucep И.Я. Весенние заторы на реках Сибири.// JL: Гидрометеоиздат, 1969. с. 103

31. JIucep И.Я. II О зависимостях для прогноза максимальных заторных (ледоходных уровней воды при вскрытии сибирских рек//Метеорология и гидрология.- 1981.11

32. Mwiumeee А. Н„ Школьников С.Я. Численные исследования планов течения в руслах со сложным рельефом дна// Водные ресурсы.-1981.- №3.- с. 126-134

33. Неэ/сиховский Р.А., Саковская Н.П., Ардашева Г.В. Прогнозирование максимальных заторных уровней воды в местах ежегодного образования заторов// Труды IV гидрологического съезда.-1976.

34. Неэ/сиховский Р.А., Бузин. В.А. Условия образования и прогнозы заторов льда па реках// Метеорология и Гидрология.- Москва,- 1977.- №5.

35. Орлов А.С., Долгополова Е.Н., Дебольский В.К. Некоторые эмпирические закономерности русловой турбулентности // Водные ресурсы.- 1985.- №6.- с. 85-90

36. Панфилов Д.Ф. Условия вскрытия верхнего бьефа гидроузла. // Гидротехническое строительство.-1971.- № 5.- с. 33-36

37. Попов Е.Г. Заторы льда и проблема борьбы с ними// Метеорология и гидрология.

38. Пономарев М.Б. Модели, используемые для прогноза температуры воды и льдообразования// Водные ресурсы.-2000.-Том 27, № 1.

39. Российский К.И. Динамика и термика речных потоков// Ледовый и термический режим рек.- М.: Наука, 1972.

40. Чижов А.Н. О механизме формирования заторов льда и их типизация// Труды ГГИ.-1975.- Вып 227.

41. Чижов А.Н. , Козицкий И.Е., Дерюгин А.Г., Бузин В.А. Исследование заторов льда// Труды IV Всесоюзного гидрологического съезда.- ГГИ.- 1976.- Том 6.

42. Шуляховский Л.Г. О заторах льда и заторных уровнях при вскрытии рек// Метеорология и гидрология.-1951.- №7

43. Каталог заторных и зажорных участков рек СССР -260 т.2. Азиатская часть СССР.-JL: Гидрометеоиздат,- 1978.

44. Определение расчетных гидравлических характеристик. СНИП 2.01.14-83- М.: Стройиздат.- 1985г

45. Beltaos S. Rever ice jam: theory, case studies and applications// J.Hudraulic Engeenering. 1983. vol 109. №10

46. Mishele В The accumulations at freeze-up on break-up// Proc. IAHR Symposium of ice problems. Lalea. 1978. Part II

47. Kennedy J.F. Ice-jam mechanics// Proc. IAHR Symposium of ice problems. Hanover. 1975

48. Pariset E., Hauser R., Cagnon A. Formation of Ice Cover and Ice Dams in River. IHD ASCF v.92, №6,1966, p. 66-79

49. Pariset E„ Hausser R. Evolution of Ice Cover during their formation.- IARH, Proc.8th Congress, Montreal, 1959.

50. L. Liu, H.T. Shen Dinamics of ice jam release surges // Proccesings of the 17th International

51. Symposium of Ice, Vol 1, VNIIG, 2004y.

52. L. W. Gold Use of ice cover for transportation.- Canadien Geotec. Journal, 1971, p. 8H.R.

53. H.R. KivisidHanding Ice Damb.-Proc. IAHR, 8 Congress, Montreal, 1959, v.l

54. J.C. Tatinelaux Characteristics of River Ice Jame.- IAHR, Symposium on Ice Problem, Lulea, 1978, Proc.,p.2

55. M.S. Usuner, J.F. Kennedy Stability of Floating Ice Blocks.- JHD ASCE, 1972, v.98, №12

56. Z. Mao., L. Zhang., G. Lue Two dimensional model of river-ice processes using boundaryfitted coordinate// Proccesings of the 17th International Symposium of Ice, Vol 1, VNIIG, 2004y.