автореферат диссертации по строительству, 05.23.16, диссертация на тему:Моделирование интенсивности склонового стока с водосборных бассейнов малых рек с использованием геоинформационной системы

На правах рукописи

ЕВГРАФОВ АЛЕКСЕЙ ВИКТОРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ИНТЕНСИВНОСТИ СКЛОНОВОГО СТОКА С ВОДОСБОРНЫХ БАССЕЙНОВ МАЛЫХ РЕК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Специальность: 05.23.16 - Гидравлика и инженерная гидрология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2003

Работа выполнена на кафедре «Общая и инженерная экология» Московского государственного университета природообустройства

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Никитенков Б.Ф.

Официальные оппоненты:

доктор географических наук, профессор

Алексеевский Н.И. (МГУ)

кандидат технических наук, доцент

Прошляков И.В. (МГУ11)

Ведущая организация:

ГНУВНИИГиМ

Защита состоится « /3» октября 2003 г. в «. /¿Г» часов мин. на заседании диссертационного совета Д 220.045.02 в Московском государственном университете природообустройства по адресу : 127550, г. Москва, ул. Прянишникова, 19, МГУП, ауд. 201/1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУП.

Автореферат разослан «/_/_» сентября 2003 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Евдокимова И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Гидрологические расчеты стока рек являются неотъемлемой частью гидротехнических, водохозяйственных, а в последнее время и прикладных экологических расчетов по прогнозированию качества и экологической безопасности речных систем и их водосборов. Традиционно считается, что невозможно учесть все многочисленные факторы, определяющие формирование поверхностного стока. В практике инженерных гидрологических расчетов в наше время широко используются статистические методы, основанные на обработке гидрологических рядов, полученных на относительно редкой и далеко недостаточной сети наблюдений за стоком рек. Основой этих методов является перенос с определенной трансформацией измеренных данных расходов на одних реках на расчетные створы других. Теоретической базой здесь является метод гидрологической аналогии, который в настоящее время используется особенно часто. Однако на практике бывает трудно подобрать бассейн-аналог, и в таких случаях просто берутся данные одного из ближайших гидрометрических постов и нередко без достаточного обоснования.

Современные экологические нормативы требуют оценки качества стока рек по всей длине, однако среди традиционных методов гидрологических и гидравлических расчетов трудно выделить хотя бы один, надежность которого для решения таких задач не вызывала бы сомнений.

Наиболее характерные элементы появления риска и недостоверности статистических методов расчетов следующие:

Антропогенные изменения в окружающей среде нарушают однородность имеющихся гидрологических рядов. На водосборах большинства освоенных рек произошли существенные изменения структуры растительных сообществ, распаханности и заболоченности.

Процедура восстановления естественного стока рек осложняется неполнотой и отсутствием сведений об использовании вод. Как правило, нет достоверной информации о конкретных местах и объёмах сброса сточных вод.

Ситуация, которая уже сейчас сложилась в практической гидрологии, заключается в том, что фактически нет надёжных методов прогнозирования стока для малоизученных территорий и рек.

На проблемы, о которых было сказано выше, естественно, обращали внимание и раньше, но переход на сложные генетические модели формирования стока рек откладывался в связи с недостаточной изученностью отдельных гидрологических и климатических процессов и наличием проблем увязки отдельных подмоделей, недостаточной производительностью вычислительной техники, неразвитостью методов сбора, подготовки и ввода данных в программы расчета и т.д. Однако анализ литературных источников показывает, что на сегопняптний дець большинство ич этих за-

труднений принципиально преодолимы, а ^а^ввиЩЦ^гИ^НМЬЧАйс

БИБЛИОТЕКА СПетербург г/

ОЭ

ш инте-

рес к генетическим методам расчета поверхностного стока растет.

Актуальность создания и применения генетических моделей, использующих в качестве входных данных климатические параметры, рельеф, почвенные и геоморфологические условия, возросла в наши дни в связи с необходимостью иметь механизм прогнозирования стока и его качества не только в отдельных створах, но и по всей длине рек. Совмещение генетических моделей расчета стока с возможностями геоиформационных систем (ГИС) позволит оперативно отслеживать изменение условий на водосборах.

Идея использования в гидрологических расчетах метеорологических параметров, значительно меньше зависящих от антропогенных факторов, прогнозируемых изменений условий на водосборах, для целей изучения и прогнозирования стока является в инженерной гидрологии привлекательной, и, как уже отмечалось, число научных публикаций в этом направлении в последние годы растёт.

В тоже время решить данную проблему полностью или хотя бы с некоторыми приближением вряд ли сейчас возможно. С одной стороны, имеются нерешенные задачи в области представления и обработки метеорологической информации, а с другой—недостаточная разработанность методов гидравлики для расчетов течений воды на водосборах, связанная с проблемами численных решений задач склоновой гидравлики с малыми глубинами.

Цель и задачи работы. Основная цель работы заключается в совершенствовании методики расчёта склонового стока, в создании логически завершенной физико-математической модели расчёта его интенсивности на базе климатических данных и цифровой модели местности, с возможностями исследовать влияние состояния и площади растительных сообществ, а также прочих экологических факторов на сток. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать модель склонового течения на базе цифровой модели местности и уравнений баланса массы и потоков воды на водосборе.

2. Доказать применимость ГИС для решения вышеупомянутой гидрологической задачи.

3. Дать анализ и исследовать закономерности изменения метеорологических параметров, влияющих на объём стока рек и его внутригодовое распределение, таких как снегозапасы, температуры, определяющей таяние снега, частоты и продолжительности выпадения осадков, испарения и др.

4. Научно оценить пространственную неравномерность значений некоторых природно-климатических параметров, определяющих сток рек, с целью повысить надёжность входных параметров и обоснованность их источника.

Научная новизна работы заключается:

• в современном подходе к гидрологическим и водохозяйственным рас-

четам, выразившемся в создании варианта новой работоспособной генетической модели склонового стока, учитывающей климатические и топографические условия водосбора;

• в крупномасштабном аналитическом исследовании бассейна р. Нерли Волжской, анализе факторов образования стока и выявлении основных закономерностей этого процесса на эмпирическом материале;

• в новых методах использования геоинформационных систем, выступающих в качестве инструмента подготовки базы данных для проведения гидрологических и гидрофизических расчётов;

• в разработке методики и новых алгоритмов для ЭВМ, позволяющей по информации, получаемой из ГИС, рассчитать объёмы и интенсивности склонового стока бассейна рек при различных условиях.

Практическое значение работы. Разработанная математическая модель предназначена для практических расчётов прогнозирования поверхностного притока воды к руслам рек и оценки влияния хозяйственной деятельности на водосборе на водные ресурсы. Предложенная методика может использоваться для изучения водосборов малых рек, в том числе интенсивно используемых в с/х производстве, на которых никогда не производились систематические гидрологические наблюдения.

Выносимая на защиту генетическая модель формирования интенсивности склонового стока бассейна представляет собой законченную методику, которую можно рекомендовать для оценки стока с малых водосборов лесной зоны.

Используемая в диссертации ГИС «Учебная», имея все основные черты современных ГИС, может применяться для решения широкого круга практических задач, а также благодаря простой и понятной компоновке в качестве учебной программы.

Положения, выносимые на защиту.

1 .Усовершенствованная физико-математическая модель формирования склонового стока, базирующаяся на доступной метеорологической, морфологической, картографической информации и информации о почвенных условиях. Устойчивость и сходимость алгоритмов численного решения задачи проверена на примере модельного водосбора.

2.Методы использования Геоинформационных систем в качестве инструмента подготовки базы данных и получения дополнительной информации для гидрологических расчетов склонового стока и поверхностного питания рек.

3.Методы анализа климатической информации, определяющей поверхностный сток.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Природообустройство сельскохозяйственных территорий» (МГУП; 2001), «Природоохранное обустройство территорий» (МГУП; 2002) и «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в её обеспечении» (МГУП, 2003).

ГИС «Учебная», в разработке и отладке которой принимал участие автор, уже ряд лет преподаётся студентам МГУП в курсах дисциплин, посвященным моделированию природных процессов, экологическому мониторингу и геоинформационным системам.

По результатам исследования опубликовано 6 научных работ.

Структура и объём работы.

Диссертация написана на русском языке, включает 156 страниц текста, в том числе 5 глав, список литературы из 82 наименований, 52 рисунка, 18 таблиц и заключение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, отмечена ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены информация о структуре диссертации и апробации ряда полученных результатов.

В первой главе рассмотрены основные методические аспекты физико-математического моделирования стока рек. Указаны основные современные требования, предъявляемые к математическим моделям; перечислены основные проблемы, которые возникают при построении моделей стока; приведена классификация таких моделей и дана краткая характеристика наиболее известных; указано на недостаточность публикаций, посвященных использованию ГИС в расчетах поверхностного стока и дана краткая характеристика ГИС «Учебная», созданной на кафедре Общей и инженерной экологии МГУП, использовавшейся для построения геоморфологической модели водосбора реки.

Вторая глава посвящена оценке традиционных методов гидрологических расчетов на примере реки Нерль Волжская и анализу факторов сто-кообразования.

Проведен анализ гидрологической изученности Нерли Волжской. Данные, опубликованные в отдельных изданиях ГВК, сгруппированы по продолжительности и составу наблюдений и представлены в табличной форме.

Анализ уровенного режима показал, что створ у п. Нерль в нижнем течении реки испытывает подпор со стороны Углического водохранилища и не может в полной мере использоваться для контроля результатов моделирования стока Нерли. Водорегулирующее влияние Плещеева озера (истока р. Нерль) проявляется в том, что половодье в верховьях реки не только сглаживается, но и сдвигается во времени примерно на месяц.

Картина половодья проиллюстрирована построением совмещенных графиков хода среднесуточной температуры воздуха, сокращения снегоза-пасов, оттаивания почвы и выпадения осадков на фоне реального гидрографа. Установлено, что на водосборе р. Нерль активное снеготаяние на-

чинается в момент перехода среднесуточной температуры воздуха через О °С.

Построение графика связи объемов половодья с максимальными снего-запасами, а также графика связи объемов половодья с суммой максимальных снегозапасов и выпавших за период половодья осадков показало, что запасы воды в снеге, предшествующие снеготаянию, являются главным, но далеко не единственным фактором, определяющим объем будущего половодья. Дополнительно требуется учет выпавших за время снеготаяния осадков.

Весьма высоким оказался коэффициент корреляции между запасом воды в снеге перед началом таяния и значением максимального расхода воды в половодье (0,9).

Установлено, что тренды убыли снега, в общем, повторяют процесс накопления положительных среднесуточных температур (рис. 1, 2).

Более детальный анализ динамики половодья позволил выделить также периоды убыли снегозапасов на фоне отрицательной среднесуточной температуры воздуха (рис. 1). По данным о значениях среднесуточного дефицита влажности воздуха, который в периоды снеготаяния был очень высоким, проведены расчеты испарения за расчетный период, которое составило от 9 до 14% максимальных влагозапасов в снеге на начало снеготояния. Это подводит к выводу о необходимости учета испарения с тающего снега, несмотря на бытующее мнение о возможности пренебрежения этой статьей водного баланса водосбора из-за его малости.

Снеготаяние 1975

80 70 60 50 40 30 20 10

|

X ш -Ш- ** 'V

я .5 ** — К

X гх

IV X 1

¡<г Л N

X х~ \

И п( пП г 1. пП пг ь

Ш X со X Ш 1) 31 ) т 1) а. со Э. тз 2. и о. со а с

Т- сч

Даты

' -I Осадки, мм

-Сумма 1ср+, подсчитанная назад от даты схода снега в лесу, °С

^ Запас воды в снеге в поле,приведенный, мм X Запас воды в снеге в поле, неприведенный, мм | Запас воды в снеге в лесу, приведенный, мм Ж Запас воды в снеге в лесу, неприведенный, мм -Сток через пост Подол, мм

Рис. 1. Графики осадков, запаса воды в снеге, стока и интегральной суммы положительных среднесуточных температур, подсчитанной от даты схода снега в лесу назад.

Имеют место также интервалы, когда при положительных среднесуточных температурах снег не убывает. Обратившись к графику выпадения осадков, можно предположить, что в эти дни убыль снега из-за таяния была перекрыта значительным слоем свежего выпавшего снега (рис. 2):

Снеготаяние 1973

100

80

40

20

я » > ■ Р

Ж я ■ X X в к К

1 ш

1В ■ „л в ш м ! ■ *

II пПППп пП п ли—

ш с I г 0 ) и 3 а > О о. * то X о а. а. о. т* то а. г 5.

Даты

1 Осадки, мм

Сумма Юр+, подсчитанная назад от да™ схода снега в лесу, Ч С

я Запас воды в снеге в поле,приведенный, мм

X Запас воды в снеге в поле, неприведенный, мм

■ Запас воды в снеге в лесу, приведенный, мм

ж Запас воды в снеге в лесу, неприведенный, мм

Сток через пост Подол, мм

Рис. 2. Графики осадков, запаса воды в снеге, стока и интегральной суммы положительных среднесуточных температур, рассчитанной от даты схода снега в лесу назад.

На конкретном примере показаны недостатки традиционных методов расчёта стока. По известным и рекомендуемым для проведения гидрологических расчетов методикам для реки Нерли Волжской были подобраны бассейны-аналоги. По ним определены основные гидрологические характеристики и внутригодовое распределение стока. Эти результаты сопоставлялись с имеющимися многолетними данных наблюдений непосредственно по Нерли. Выяснилось, что в случае отсутствия данных наблюдений при использовании метода гидрологической аналогии, норма стока оказалась бы заниженной на 15%, а отклонения ординат гидрографов расчетной обеспеченности составили в отдельные периоды от -50% до +102% (при расчёте по методу реального года) и от -36% до +36% (при расчёте методом компоновки).

метод реального года

с>м«/а,

5 ■ ■ 4- • 3- ■

В Нерль Клязьминская

■ Нерль Волжская

сил б• 5 • 4 ■ ■

1 2 3 4 5

метод компоновки

ННерль Клязьминская

■ Нерль Волжская

7 8 9 10 11 12

1 2 3 4 5 6 7

Рис 3. Сопоставление безразмерных гидрографов реки Нерли Волжской с рассчитанными по данным реки-аналога.

Показано, что водность года исследуемой реки может не совпадать с водностью реки-аналога, что ведёт к неточностям при расчёте внутригодо-вого стока методом реального года.

Восстановление объемов естественного стока р. Нерли Волжской и ее аналога показало, что объем безвозвратного водопотребления составляет менее 2% годовой нормы стока контрольного створа и практически не влияет на выводы сделанные выше, то есть точность расчетов от восстановления стока в данном случае практически не повышается.

Третья глава посвящена описанию специально подготовленной базы данных по бассейну Нерли Волжской и оценке содержащейся в ней природно-климатической информации на предмет репрезентативности и достаточности.

По материалам восемнадцатилетних наблюдений метеостанции Пере-славль-Залесский (форма ТСХ) была подготовлена база данных, включающая ежесуточные значения следующих основных метеопараметров :

1) средней температуры воздуха, °С , 2) максимальной температуры воздуха, °С, минимальной температуры воздуха, °С, 3) среднего дефицита влажности воздуха, мб., 4) максимального дефицита влажности воздуха, мб., 5) общей облачности, баллы, 6) нижней облачности, баллы, 7) максимальной скорости ветра, м/с, 8) суммы осадков за ночь, мм, 9) суммы осадков за день, мм, 10)величины снежного покрова (по МД-40), см—на конец пентады, 11) глубины промерзания, см - на конец пентады, 12) оттаивания, см - на конец пентады, 13) снежного покрова (покрытости площади снегом), баллы, 14) величины снежного покрова, см, 15) относительной влажности воздуха , % , 16) плотности снега, г/см3 - на конец декады, 17) фактической продолжительности осадков, часы, 18) виде осадков.

Эта база дополнена данными маршрутных снегомерных наблюдений, проводимых в период половодья раз в пентаду.

Специальным расчётом было установлено, что значения плотности и высоты снежного покрова, измеренной по постоянной рейке на метеостанции, хорошо коррелируют с данными полевых маршрутных измере-

ний—т.е. являются достаточно репрезентативными и могут дополнять друг друга.

Уровни и расходы (расходы—только в створе у д. Подол) за означенный период также представлены ежесуточными значениями.

В работе была исследована возможность использования данных метеорологических наблюдений метеостанции Переславль-Залесский для гидрологических расчетов применительно ко всему бассейну р. Нерли.

Графический метод оценки подразумевает, что данные метеостанции можно распространить на половину расстояния от нее до ближайшей станции. Из этих соображений не только водосбор контрольного гидрометрического створа у д. Подол (1810км2)—как пример малого водосбора площадью менее 2000 км2, но и водосбор всей Нерли (3270 км2) практически целиком тяготеют к Переславлю-Залесскому.

В работе была проведена статистическая оценка пространственной изменчивости осадков и снегозапасов, т.к. они играют наиболее существенную роль в формировании стока и обладают по сравнению с другими метеопараметрами максимальной неравномерностью распределения по площади. В результате статистической обработки многолетних рядов наблюдений за осадками на близлежащих метеостанциях Дмитров, Ростов и Углич, а также в самом Переславле-Залесском, были составлены карты изолиний: среднего значения ( у) декадных сумм осадков, коэффициента корреляции между базисным пунктом на прилегающей территории (г), среднего квадратичного отклонения ( сту) и такие же по материалам семи снегомерных полевых маршрутов три карты по максимальным снегозапа-сам. Интересно, что весь водосбор Нерли попал в зону, где г>0,80. До створа Подол коэффициенты корреляции еще больше —минимум 0,87. По запасам воды в снеге неравномерность распределения по площади еще меньше (г>0,90).

Рис. 4. Карта изолиний коэффициента корреляции между точками водосбора и базовым пунктом по снегозапасам ( - изолинии, —--границы водосборов).

Аналогичная методика расчёта использовалась А.А.Богушевским (1970). С некоторыми изменениями, определяемыми возможностями современных ЭВМ и использования баз данных ГИС она была применена для рассчетов в диссертации.

Исходя из полученных результатов представляется возможным распространить данные наблюдений метеостанции Переславль-Залесский на весь водосбор Нерли.

В четвертой главе рассмотрены вопросы схематизации бассейна реки и описаны алгоритмы этого процесса, заложенные в ГИС «Учебная».

Моделирование наземного стока на водосборе реки предполагает последующее использование полученных данных для определения расходов и скоростей движения воды в реке, т.е. для проведения гидравлических и гидрологических расчетов. Поэтому бессмысленно создавать модель склонового стока, не имея представления в какой системе будут использованы полученные данные, т.е. не имея связанной системы бассейна реки.

Для проведения гидрологических и гидравлических расчетов по руслу реки в дальнейшем предполагается, что будет использоваться одна из форм уравнения Сен-Венана совместно с уравнением сохранения массы.

Известные численные методы решения таких систем предполагают, что продольный профиль реки будет разбит на ряд участков, для которых будут записаны конечно-разностные аналоги отмеченных уравнений.

Расчетные участки будут принимать боковой приток воды с левого и правого берега, и этот приток может существенно изменяться как по вре-

мени, так и на протяжении русла реки.

Каждый расчетный участок имеет две водосборные площади на разных берегах, и их форма будет определяться рельефом водосбора.

Конечно-разностная схема решения уравнений Сен-Венана для руслового потока требует в качестве исходных данных установления зависимостей площади живого сечения от уровня на значительном количестве створов вдоль водотока. Имеющихся створов промера параметров русла всегда бывает недостаточно.

ГИС «Учебная» уже сейчас имеет в своем составе программу сплайн-интерполяции формы поперечного сечения русла по длине реки.

Поперечное сечение русла схематизируется следующим образом:

X, Хг Хз Хл Хз Хб Х7 Хг Хэ Хю

\ 1 3 7 \ г 9 >\

1 \ V > г а *

\ > 5 У > 7 Л ) / г

N \ / > в* Г

У

Рис. 5. Глубины реки, рассчитанные по сплайн-интерполяции для поперечного сечения реки.

С помощью одномерной сплайн-интерполяции число вертикалей на поперечном сечении в каждом натурном створе приводится к постоянному числу (в отработанном примере—33).

Схематизация продольного профиля русла реки и морфологического строения осуществляется по следующему алгоритму:

1 .Определение опорных координат и высотных отметок русла реки.

2.Определение расстояний опорных точек от истока.

3.Построение сплайна продольного профиля реки и определение расчетных точек.

4.Построение двумерного сплайна для интерполяции поперечных сечений.

5.Построение одномерных сплайнов для ширины реки и шероховатости русла.

Схематизация склонов заключается в разбиении их на отдельные поло-

сы (фрагменты), сток с каждого из которых попадает на участок реки, заключенный между двумя соседними створами на реке.

В ГИС «Учебная» все эти алгоритмы успешно отработаны.

ГИС «Учебная» обладает всеми основными чертами современных ГИС—т.е. достаточными возможностями по оцифровке, отображению и редактированию введенных объектов.

Современные ГИС—ArcView, Map Info—хорошо известны на Российском рынке, но, к сожалению, мало пригодны для решения специфических задач, стоящих перед инженерами водного хозяйства, и по возможностям уступают ГИС "Учебная". В ГИС предусмотрена возможность оцифровки множества специальных объектов, с которыми имеют дело специалисты водного хозяйства и экологии, но которых нет в вышеупомянутых, кстати, весьма дорогостоящих ГИС, а также предусмотрены необходимые связи хранимых в ГИС данных с инженерными подпрограммами.

При подготовке цифровой карты Нерли Волжской использовались не все возможности ГИС, т.к. часть информации, имеющейся на исходной топографической карте масштаба 1:100000, не имела значения для решения стоящих в работе задач. Использовались группы объектов, характеризующие рельеф, реки и другие водные объекты, контуры водоёмов, контуры земельных угодий, ITC, контуры и высотные отметки границ водосборов рек, дороги и подписи на карте.

В процессе редактирования возможно удаление отдельных точек и целых объектов, перенос точек в другое место либо совмещение их с точками других объектов, линиями рамки, ограничивающей цифровую карту, и т.д.

По завершении оцифровки объекта данные о нём автоматически записываются в электронную таблицу формата MS EXCEL и специальный двоичный файл, обеспечивающие связи с другими программами. Структура исходных данных полностью открыта, и повторяет в двоичном коде отсортированную по классам объектов таблицу.

К сожалению, карты масштаба 1:100000 не могут быть надежной основой для точного цифрового моделирования рельефа.

Для проверки методики схематизации бассейна реки и отладки алгоритмов расчета склонового стока был выбран простой бассейн реки без притоков, на котором была проверена не только методика дефрагментации речного бассейна, но и конечно-разностная схема решения уравнений движения воды.

Моделирование структуры водосбора выполнялось следующим образом.

1. Оцифровка контуров земельных угодий, горизонталей, высотных отметок, линии водотока и линии водораздела средствами ГИС. Высотные отметки берегов вводить не нужно - алгоритмы заложенные в ГИС, позволяют автоматически наметить на линии реки необходимое количество створов и определить высотные отметки берегов интер-

полированием.

2. Контур водораздела оцифровывается вручную, с занесением высотных отметок точек, т.к. масштаб рабочих карт 1:100000 не позволяет качественно найти его аналитически. После того, как отметки х, у и х контура водосбора введены, ГИС, используя сплайн-интерполяцию, доводит количество точек до 300 и определяет их высотные отметки.

3. Далее проводятся дополнительные горизонтали, соединяя точки на берегу реки с точками на границе водосбора.

4. На завершающих этапах программа разбивает водосбор на полосы по линии максимального градиента. С каждой такой полосы вода стекает на участок, заключенный между соседними створами.

Последняя процедура автоматически проходит не всегда удачно, и поэтому в ГИС предусмотрена возможность уточнить границы полос вручную.

В ГИС существует специальный алгоритм определения площадей контуров земельных угодий, суммарной площади какого-либо угодья в пределах карты и отдельных контуров в пределах каждого водосборного фрагмента, а также параметров расположения контуров земельных угодий.

Таким образом, фрагмент водосборной площади привязан к двум точкам реки (узлы конечноразностной схемы моделирования течения воды в реке), что позволит в будущем использовать полученные данные по стоку с водосбора для расчетов детальных гидрографов реки.

Исходная карга

Цифровая карта с дополнительными горизонталями

3» * » г ^

Полосы склонового отекания, полученные с помощью программы

Полосы склонового

отекания, отредактированные

Рис. 6. Порядок моделирования структуры водосбора.

Пятая глава посвящена математическому описанию формирования стока на водосборе бассейна реки, оценке потерь стока и анализу результатов моделирования.

В основу модели склонового стока положено уравнение Сен-Венана без инерционных членов и уравнение баланса массы.

дг ох

Вд(2 | ёозО1

О)

к1

дх дт

(1)

(2)

(2 - расход воды, К- коэффициент расхода, со - площадь сечения, В -

ширина.

Уравнение (1) приводится к виду:

Q = -

кг8

dz

BqC R + gQ dx '

Подставив (3) в (2) получим нелинейное уравнение параболического типа:

дт '

д_ дх

Klg Лдг

BqC R + gQ)дх

+ B(q-I)

(4)

Расход Q в дивергентной части уравнения (4) можно определить в итерациях по формуле (3) или, разрешив (3) как квадратное уравнение, получить модифицированную формулу Шези, с учетом изменения массы в виде дождя и инфильтрации:

Q = -

C2RBq 2 g

C2RBq 2 g

-к-

dz_

дх

(5)

Для уравнения (4) была разработана специальная неявная конечно-разностная схема с обеспечением устойчивости при малых слоях воды— трех точечная по длине i+1, i, i-1 (нумерация узлов сетки по координате X) и двух точечная по времени. Верхний индекс j относится к предыдущему моменту времени, для которого все параметры системы уравнений известны, j+1— к последующему моменту с интервалом Ar, который не обязательно постоянен при решении и определяется сходимостью и устойчивостью схемы. Эта схема разработана Никитенковым Б.Ф. и Евграфовым A.B.

Хп Xn-f Хд.г Xп-з

Zn-1 -9—

Z п-2

Zn-3

hn-t h п-2 hn.3

h„=o

X;+f X/ Xu

X2

Zi+i Zx

Zx-l

Zs -9-

Z2

hj Иг hf

h0=o

ii о

Zo

€

Рис. 7. Расчетная схема для построения конечно-разностной аппроксимации системы.

Весь водосборный фрагмент состоит из п -участков, для каждого из которых записывается конечно-разностная аппроксимация уравнения (4). Для обеспечения однородности алгоритма решения задачи верхняя и нижняя часть фрагмента дополнены участками нулевого размера.

Для конечно-разностной аппроксимации уравнение (4) представим в виде:

<?Ц ~дт

от дхк ' дх

где:

дсо, ~дт

(7)

Учитывая, что расчетные значения находятся в центрах участков, для аппроксимации дивергентной части уравнения (6) требуется знание значений параметров потоков (к)на границах участков (рис. 8) интегральное по

расчетному интервалу времени дт, т.е. отнесенное к середине интервала времени, если шаг по времени мал. В расчетах, приведенных ниже, шаг был 10 сек.

Хм

Рис. 8. Пояснения к построению конечно-разностной схемы.

'+1 -77+1Л _„,„ О /"7./+1_7У+1

(8)

Для решения методом прогонки преобразуем сумму (7) и (8) к виду:

а^-^Г+г.гС^Зг, (9)

При прямой прогонке определяем коэффициенты:

а-^- (к»)

' Р,-гЛ, Р.-гЛ,

а при обратной—искомые напоры:

нг] = р,н?;;+д, (п)

Для выяснения вклада отдельных видов потерь стока в суммарный его перехват на водосборе, а значит, подбора простых и надежных эмпирических выражений для расчета я и I, был сделан подробный расчет интенсивности поверхностного стокообразования в точках водосбора, принадлежащих различным угодьям (полю, лугу, смешанному, хвойному и лиственному лесу) по методикам Виноградова (1986) и Корня В. И., Бельчико-ваВ. А. (1989).

Были алгоритмизированы и рассчитаны следующие процессы и параметры:

а) отдача воды из снега; б) испарение со снега; в) перехват осадков растительностью; г) оттаивание почвы; д) деление поступающей на поверхность водосбора воды на поверхностный и подземный сток; е) поверхностное задержание воды в лужах; ж) испарение с почвы; з) изменение увлажненности почвы.

Ряд метеорологических параметров из списка, представленного в третьей главе, использовался при подборе наиболее точных формул и эмпирических коэффициентов.

Зависимость суточного слоя снеготаяния от положительной среднесуточной температуры в лесу принята в виде:

т-а + с1+ (12)

Параметры формулы для каждого типа леса подбирались по имеющимся данным наблюдений за 1966, 1968-1977 гг. путём расчёта слоев стаивания и сумм положительных среднесуточных температур.

смешанный лес

сумма положит, среднесут. температур

Рис. 9. Зависимость слоя талой воды от суммы положительных среднесуточных температур по материалам снегомерного маршрута Кибергино (смешанный лес).

Экстраполяция линии связи до оси у показывает, что слой снега в пересчете на воду порядка 15-30 мм в лесах разного вида стаивает и при отсутствии положительной среднесуточной температуры (т.е. только за счет поглощения солнечной радиации).

Водоотдача определена по методике из Беффани Н. Ф., Калинин Г. П. (1983).

Обычно расхождения рассчитанных и сравнительных значений водоотдачи не превышали 10%.

Сопоставление интегрального приведённого слоя водоотдачи с определённым по убыли снега (смешанный лес, маршрут мм Кибергино, 1968)

180 у 160 -140 -120 --100 - -80 -60 40 20 -0-19

Рис. 10. Результаты расчёта приведённого интегрального слоя водоотдачи в смешанном лесу (1968 г, маршрут Кибергино).

Точность расчета суммарного слоя поверхностного стокообразования за расчетный период (от начала таяния снега до установления в реке меженных расходов) оценивалась в первом приближении по методу разделения гидрографа.

Особый интерес для экологов представляют вопросы изменения гидрографа при изменении экологической ситуации на водосборе, например -вырубке леса.

Расчетами было получено распределение склонового стока за период половодья, не противоречащее известным представлениям о гидрологической роли леса (рис. 11). Центр массы половодья сдвинулся влево. Максимальный расход в результате «сведения леса» увеличился в 1,6 раза. Стали выше дождевые паводки. В целом объём склонового стока за половодье из-за вырубки леса увеличился почти на 30%.

21 23 25 27 29 31 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Даты

}

1968 г.

■ Лес сведен под пашню ■ Естественное состояние водосбора (лесистость 49%) —

__1

Г1

1 л

11 . 1

1П

20 25 30 4 9 14 19 24 29 4 9 14 19 24 29 3 8 13 18 даты

Рис. 11. Сопоставление средневзвешенного слоя поверхностного стокообразования при реальном распределении угодий и после сведения леса под пашню (за период с 20 марта по 20 июня 1968 г.)

Интенсивность поступления воды на склон в окончательном варианте:

(13)

Расчетная интенсивность впитывания определяется по зависимости:

1 = (Г0-Г1)е~аг + Г1 (14)

где: дос—интенсивность осадков, Щ,—относительный перехват воды лужами, в долях 1.

К0—начальная скорость впитывания; У\—предельная скорость впитывания;

а—параметр; т—время от начала впитывания.

В ходе численных экспериментов было установлено, что предлагаемая методика расчета склонового стока правильно реагирует на изменение величин входных параметров (уклона, интенсивности дождей, шероховатости и др.), а результаты расчета удовлетворяют необходимым балансовым соотношениям.

Ординаты кривых на рис. 12 с некоторыми результатами расчетов нормированы соответственно на 75%, 100% и 50% от своих максимальных значений: 1—расход с полосы за время стока, м3/с; 2—суммарный сток с полосы, м3; 2'—суммарный сток с полосы (аппроксимирующая кривая), м3; 3—слой осадков от начала дождя.

Элементы моделирования новой экологической ситуации на этапе расчета склонового стока состояли в задании на участках расчетного фрагмента различных шероховатостей и параметров инфильтрации, соответствующих различным типам земельных угодий.

Результаты решения уравнений Сен-Венана дождь большой интенсивности_

/

SC

Ваоиакт оасчета1 I Длина склона 1000 0 Ширина по BeoxvM 100 О Шиоина по низу 100 О Уклон 0 010 I

- Число расчетных точек 102 Величина осалковГмм! 20 О Длительность осадков(час) 3 О Тип осадков 10 1 I

Шеооховатость 0 050 Папамети впитывания УО 0 011 Паоамето впитывания V1 0 001 Параметр впитывания AL 1 5

-Phcvhok номео 225.

Воемя окончания стокаГчас! 5 50 Обьем впитывания Шот осалков 20 3 Боковой поиток- м етб 1593 54114 Максим оасхол -м ю/б/ сек 0 18 Нормирующий множитель 0 66

0 12 3 4 5 6 7

Время от начала выпадения осадков

Рис. 12. Результаты расчетов склонового стока.

ю

На рис. 13, построенном по серии модельных расчетов, показано, как сказывается на стоке с фрагмента изменение уклона полосы и коэффициента шероховатости.

Зависимость суммарного склонового стока с фрагмента от сумм.,у|шона ПрИ Трвх фиксированных коэффициентах шероховатости

м

2000

1500-

1000

500

—♦—п=0,02 -«-П=0,05 -*-П=0,08

/

0 0,005 0,01 0,015 уклон

0,02

Тмах, часы

6,5

5,5

4,5

Зависимость общей продолжительности стока с фрагмента от уклона при трех фиксированных коэффициентах шероховатости

1 —♦— П=0,02 п=0,05

-п=0,08

0,005 0,01 0,015 уклон

0,02

Рис. 13. Влияние уклона полосы и коэффициента шероховатости на объём и продолжительность склонового стока (слой осадков—20 мм, время выпадения—3 часа).

I !

Была также построена серия номограмм, связывающих суммарный склоновый сток и его продолжительность со слоем осадков и длительностью их выпадения при неизменных уклонах и шероховатостях (рис. 14):

Зависимость суммарного стока с фрагмента от слоя осадков при У1/сумм, трех фиксированных

продолжительностях

м

3000

2000

1000

—•— 1час —Ш—2 часа -*— 3 часа

г

10 20 30 слой дождя, мм

40

Тмах,

Зависимость общей продолжительности стока с фрагмента от слоя осадков при трех их фиксированных продолжительностях

0 10 20 30 слой дождя, мм

Рис. 14. Влияние слоя дождя и продолжительности выпадения осадков на суммарный объем склонового стока и его продолжительность (при уклоне, равном 0.01 и коэффициенте шероховатости, равном 0.05).

Можно видеть, что сток с полосы прямо связан со слоем осадков (в гидрологии эту связь описывают коэффициентом поверхностного стока), и в конечном счете мало зависит от продолжительности выпадения дождя.

Продолжительность же стока в представленном на графике диапазоне дождей с ростом слоя дождя или ростом продолжительности дождя растет слабо. Последнее обстоятельство можно объяснить так: при более затяжных дождях с меньшей интенсивностью последние порции дождя на верхних участках водосбора успевают впитаться, и сток прекращается раньше. В итоге общее время стока увеличивается не на то время, на сколько продолжительнее дождь, а на меньшее.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

В результате работы над темой была усовершенствована методика расчета интенсивности склонового стока с использованием системы уравнений Сен-Венана, преобразованной к нелинейному уравнению параболического типа.

1. Подготовлена и испытана программа расчета склонового стока для фрагмента водосбора. Краткая характеристика модели, в свете классификации моделей, приведённой в первой главе, представляется следующим

образом: 11 входных параметров, характеризующих условия водосбора и интенсивность поступления воды на него (см. рис. 12); специальная (для расчета дождевого склонового стока с фрагмента водосбора); с распределенными параметрами, часть значений которых задается едиными для всего фрагмента; позволяет вести непрерывный расчет количества воды на водосборе, потерь на инфильтрацию, стока с фрагмента в виде расхода и суммарного стока от начала дождя.

2. В отличие от других работ на эту тему, относящихся к 70-м...90-м гг., упомянутых в обзоре литературы, где также использовалась данная система, моделирование осуществлялось на принципиально новом научно-техническом уровне—а именно на базе уникальной ГИС «Учебной», созданной на кафедре Общей и инженерной экологии МГУП с использованием оригинальных алгоритмических ходов. Была научно доказана применимость данной ГИС для решения подобного рода гидрологических задач.

3. Анализ факторов весеннего половодья показал, насколько желателен учет некоторых процессов, которыми в моделировании стока зачастую пренебрегают (испарение со снега, задержание дождя листвой). Расчеты, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы, показали, что испарение со снега за период таяния в расчетном году на открытой местности составило около 10% от максимального запаса воды в снеге перед началом таяния; в лесах различных видов—от 4 до 14%. На листве же за период от начала таяния снега до 30 июня было перехвачено от 23% слоя осадков на лугу до 40% в хвойном и смешанном лесах. В подробном расчете слоя поверхностного стокообразования на различных угодьях, проведенном в настоящей диссертационной работе, эти процессы не забыты. Полученные результаты соответствуют реальным значениям стока,-

Показано, как скажется замена угодий одного вида угодьями другого вида. Была смоделирована новая экологическая ситуация на водосборе— весь лес (49% площади реального водосбора) заменён полевыми угодьями. В результате было получено распределение стока за период половодья, не противоречащее известным представлениям о гидрологической роли леса. Максимальный расход в результате "сведения леса" увеличился в 1,6 раза. Стали несколько выше дождевые паводки. В целом объём поверхностного стока за половодье увеличился почти на 30%.

4. Двумя способами доказана предпочтительность использования моделей с однородными метеопараметрами для изучения стока малых рек—т.е возможность задания ряда значений метеопараметров едиными для всего малого водосбора (в целях упрощения модели без существенной потери точности). Другими словами, если мы имеем дело с малым водосбором, имея ввиду имеющуюся плотность метеостанций, представляется целесообразным задавать значения метеопараметров едиными для всего водосбора (усредненными по ряду соседних станций тем или иным способом), чтобы не усложнять модель.

Как было показано во второй главе, возможности традиционных стати-

стических способов расчета стока и метода гидрологической аналогии ограничены. Предлагаемая же программа расчета поверхностного притока к русловой сети после включения её в более общую модель, учитывающую и русловую трансформацию, может стать хорошим инструментом прогнозирования стока вдоль всего водотока в зависимости от антропогенных изменений на водосборах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

¡.Евграфов A.B., Никитенков Б.Ф. О составе метеорологических данных, доступных для гидрологических и гидрофизических расчётов. / В сборнике: Экологические проблемы водного хозяйства и мелиорации. Материалы научно-технической конференции (18-21 апреля).—М.: МГУП; 2000.

2.Евграфов A.B. О структуре моделей типа осадки-сток. / В сборнике: Природообустройство сельскохозяйственных территорий.—М.: МГУП; 2001.

3.Евграфов А. В., Никитенков Б.Ф. О предпочтительности использования моделей с однородными параметрами для изучения стока малых рек / там же.

4.Евграфов А. В. О результатах расчёта снеготаяния различными методами на водосборе р Нерль / там же.

5.Евграфов А. В. О расчёте неустановившегося движения воды в речной системе (бассейн Нерли Волжской) с применением ГИС. / В сборнике: Природоохранное обустройство территорий. Сборник материалов научно-технической конференции 23-25 апреля.—М.: МГУП; 2002.

6.Евграфов А. В. О использовании специальной ГИС для расчёта неустановившегося движения воды в реке. /В сборнике: Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустройства в её обеспечении. Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции 2325 апреля.—М.: МГУП; 2003.

Московский государственный университет природообустройства (МГУП)

Зак № 969 Тираж /РО

^ÔO3"к

P 1 4 0 64

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА ПЕРВАЯ. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОКА РЕК.

1.1. Основные требования, предъявляемые к математическим моделям.

1.2. Классификация моделей.

1.3. Обзор некоторых математических моделей формирования стока рек.

1.4. Использование геоинформационных систем в расчетах поверхностного стока.

1.5. Описание ГИС "Учебная", используемой для построения геоморфологической модели водосбора рек.

ГЛАВА ВТОРАЯ. ОЦЕНКА ТРАДИЦИОННЫХ МЕТОДОВ ГИДРОЛОГИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ НА ПРИМЕРЕ РЕКИ «НЕРЛЬ ВОЛЖСКАЯ».

2.1. Гидрологическая изученность Нерли Волжской.

2.2. Гидрологические и гидроморфологические данные.

2.3. Оценка уровненного режима.

2.4. Картина половодья.

2.5 Оценка и прогнозирование дат половодья.

2.6. Связь количественных характеристик стока в половодье с запасами воды в снеге.

2.7 Детальный анализ динамики половодья.

2.9 Оценка отклика речной системы на единичные дожди в меженный период.

2.10. Расчеты и оценка гидрографов реки «Нерль Волжская» по данным реки-аналога.

2.10.1. Выбор реки-аналога и расчёт по методу реального года.

2.10.2. Гидрологическии расчёт по методу компоновки.

2.10.3. Восстановление стока.

2.10.4. Расширенный поиск подходящих рек-аналогов.

ГЛАВА ТРЕТЬЯ. АНАЛИЗ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ДАННЫХ.

3.1. Располагаемая база данных.

3.2. Оценка репрезентативности и подготовка исходных данных.

3.2.1. Оценка снегомерных наблюдений.

3.2.2. Оценка параметров, характеризующих состояние атмосферы.

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ. СХЕМАТИЗАЦИЯ БАССЕЙНА РЕКИ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА НА ВОДОСБОРНОЙ ПЛОЩАДИ.

4.1. Гидравлические расчеты для малых рек.

4.1.1. Математическое описание процессов течения воды в русле рек.

4.1.2. Оценка подземной составляющей стока.

4.2. Схематизация поперечного профиля русла реки.

4.3. Схематизация морфологического строения и продольного профиля русла реки.

4.4. ГИС - как инструмент ввода пространственно-координатных данных в программу расчета стока.

4.5. Моделирование структуры водосбора.

ГЛАВА ПЯТАЯ. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА НА ВОДОСБОРЕ

БАССЕЙНА РЕКИ.

5.1. Математическое описание формирования стока на водосборе бассейна реки.

5.2. Конечно-разностная аппроксимация уравнения (5.7) движения воды по фрагменту водосбора.

5.3. дорусловая трансформация стока.

5.4. Закономерности выпадения и трансформации осадков на водосборах рек.

5.4.1. Определение фазового состояния выпадающих осадков.

5.4.2. Расчет суточных слоев таяния и отдачи воды из снега.

5.4.3. Учёт перехвата осадков растительностью.

5.5. Инфильтрация и поверхностное стокообразование.

5.5.1. Инфильтрация.

5.5.2 Учёт задержания воды в понижениях рельефа.

5.6. Блок расчёта испарения с различного вида угодий.

5.7. Оценка потерь стока.

5.8. Оценка влияния состава и площади растительных сообществ на интенсивность поверхностного стокообразования.

5.9. Основные расчетные соотношения итогового варианта модели.

Актуальность темы.

Гидрологические расчеты стока рек являются неотъемлемой частью гидротехнических, водохозяйственных, а в последнее время и прикладных экологических расчетов по прогнозированию качества и экологической безопасности речных систем и их водосборов. Традиционно считается, что невозможно учесть все многочисленные факторы, определяющие формирование поверхностного стока. В практике инженерных гидрологических расчетов в наше время широко используются статистические методы, основанные на обработке гидрологических рядов, полученных на относительно редкой и далеко недостаточной сети наблюдений за стоком рек. Основой этих методов является перенос с определенной трансформацией измеренных данных расходов на одних реках на расчетные створы других. Теоретической базой здесь является метод гидрологической аналогии, который в настоящее время используется особенно часто. Однако на практике бывает трудно подобрать бассейн-аналог, и в таких случаях просто берутся данные одного из ближайших гидрометрических постов и нередко без достаточного обоснования.

Современные экологические нормативы требуют оценки качества стока рек по всей длине, однако среди традиционных методов гидрологических и гидравлических расчетов трудно выделить хотя бы один, надежность которого для решения таких задач не вызывала бы сомнений.

Наиболее характерные элементы появления риска и недостоверности статистических методов расчетов следующие:

Антропогенные изменения в окружающей среде нарушают однородность имеющихся гидрологических рядов. На водосборах большинства освоенных рек произошли существенные изменения структуры растительных сообществ, распаханности и заболоченности.

Процедура восстановления естественного стока рек осложняется неполнотой и отсутствием сведений об использовании вод. Как правило, нет достоверной информации о конкретных местах и объёмах сброса сточных вод.

Ситуация, которая уже сейчас сложилась в практической гидрологии, заключается в том, что фактически нет надёжных методов прогнозирования стока для малоизученных территорий и рек.

На проблемы, о которых было сказано выше, естественно, обращали внимание и раньше, но переход на сложные генетические модели формирования стока рек откладывался в связи с недостаточной изученностью отдельных гидрологических и климатических процессов и наличием проблем увязки отдельных подмоделей, недостаточной производительностью вычислительной техники, неразвитостью методов сбора, подготовки и ввода данных в программы расчета и т.д. Однако анализ литературных источников показывает, что на сегодняшний день большинство из этих затруднений принципиально преодолимы, а научный и практический интерес к генетическим методам расчета поверхностного стока растет.

Актуальность создания и применения генетических моделей, использующих в качестве входных данных климатические параметры, рельеф, почвенные и геоморфологические условия, возросла в наши дни в связи с необходимостью иметь механизм прогнозирования стока и его качества не только в отдельных створах, но и по всей длине рек. Совмещение генетических моделей расчета стока с возможностями геоиформационных систем (ГИС) позволит оперативно отслеживать изменение условий на водосборах.

Идея использования в гидрологических расчетах метеорологических параметров, значительно меньше зависящих от антропогенных факторов, прогнозируемых изменений условий на водосборах, для целей изучения и прогнозирования стока является в инженерной гидрологии привлекательной, и, как уже отмечалось, число научных публикаций в этом направлении в последние годы растёт.

В тоже время решить данную проблему полностью или хотя бы с некоторыми приближением вряд ли сейчас возможно. С одной стороны, имеются нерешенные задачи в области представления и обработки метеорологической информации, а с другой—недостаточная разработанность методов гидравлики для расчетов течений воды на водосборах, связанная с проблемами 1 численных решений задач склоновой гидравлики с малыми глубинами.

Цель и задачи работы.

Основная цель работы заключается в совершенствовании методики расчёта склонового стока, в создании логически завершенной физико-математической модели расчёта его интенсивности на базе климатических данных и цифровой модели местности, с возможностями исследовать влияние состояния и площади растительных сообществ, а также прочих экологических факторов на сток. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Разработать модель склонового течения на базе цифровой модели местности и уравнений баланса массы и потоков воды на водосборе.

2. Доказать применимость ГИС для решения вышеупомянутой гидрологической задачи.

3. Дать анализ и исследовать закономерности изменения метеорологических параметров, влияющих на объём стока рек и его внутригодовое распределение, таких как снегозапасы, температуры, определяющей таяние снега, частоты и продолжительности выпадения осадков, испарения и др.

4. Научно оценить пространственную неравномерность значений некоторых природно-климатических параметров, определяющих сток рек, с целью повысить надёжность входных параметров и обоснованность их источника.

Научная новизна работы заключается:

• в современном подходе к гидрологическим и водохозяйственным расчётам, выразившемся в создании варианта новой работоспособной генетической модели склонового стока, учитывающей климатические и топографические условия водосбора;

• в крупномасштабном аналитическом исследовании бассейна р. Нерли Волжской, анализе факторов образования стока и выявлении основных закономерностей этого процесса на эмпирическом материале;

• в новых методах использования геоинформационных систем, выступающих в качестве инструмента подготовки базы данных для проведения гидрологических и гидрофизических расчётов;

• в разработке методики и новых алгоритмов для ЭВМ, позволяющей по информации, получаемой из ГИС, рассчитать объёмы и интенсивности склонового стока бассейна рек при различных условиях.

Практическое значение работы.

Разработанная математическая модель предназначена для практических расчётов прогнозирования поверхностного притока воды к руслам рек и оценки влияния хозяйственной деятельности на водосборе на водные ресурсы. Предложенная методика может использоваться для изучения водосборов малых рек, в том числе интенсивно используемых в с/х производстве, на которых никогда не производились систематические гидрологические наблюдения.

Выносимая на защиту генетическая модель формирования интенсивности склонового стока бассейна представляет собой законченную методику, которую можно рекомендовать для оценки стока с малых водосборов лесной зоны.

Используемая в диссертации ГИС «Учебная», имея все основные черты современных ГИС, может применяться для решения широкого круга практических задач, а также благодаря простой и понятной компоновке в качестве учебной программы.

Положения, выносимые на защиту.

1.Усовершенствованная физико-математическая модель формирования склонового стока, базирующаяся на доступной метеорологической, морфологической, картографической информации и информации о почвенных условиях. Устойчивость и сходимость алгоритмов численного решения задачи проверена на примере модельного водосбора.

2.Методы использования Геоинформационных систем в качестве инструмента подготовки базы данных и получения дополнительной информации для гидрологических расчетов склонового стока и поверхностного питания рек.

3.Методы анализа климатической информации, определяющей поверхностный сток.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях: «Природообустройство сельскохозяйственных территорий» (МГУП; 2001), «Природоохранное обустройство территорий» (МГУП; 2002) и «Экологическая устойчивость природных систем и роль природообустрой-ства в её обеспечении» (МГУП, 2003).

ГИС «Учебная», в разработке и отладке которой принимал участие автор, уже ряд лет преподаётся студентам МГУП в курсах дисциплин, посвящён-ным моделированию природных процессов, экологическому мониторингу и геоинформационным системам.

По результатам исследования опубликовано 6 научных работ.

Структура и объём работы.

Диссертация написана на русском языке, включает 188 страниц текста, в том числе 5 глав, список литературы из 82 наименований, 52 рисунка, 18 таблиц, заключение и приложение с 11 рисунками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате работы над темой была усовершенствована методика расчета интенсивности склонового стока с использованием системы уравнений Сен-Венана, преобразованной к нелинейному уравнению параболического вида.

1. Подготовлена и испытана программа расчета склонового стока для фрагмента водосбора. Краткая характеристика модели, в свете классификации моделей, приведённой в первой главе, представляется следующим образом: 11 входных параметров, характеризующих условия водосбора и интенсивность поступления воды на него (см. рис. 5.14); специальная (для расчета дождевого склонового стока с фрагмента водосбора); с распределенными параметрами, часть значений которых задается едиными для всего фрагмента; позволяет вести непрерывный расчет количества воды на водосборе, потерь на инфильтрацию, стока с фрагмента в виде расхода и суммарного стока от начала дождя.

2. В отличие от других работ на эту тему, относящихся к 70-м.90-м гг., упомянутых в обзоре литературы, где также использовалась данная система, моделирование осуществлялось на принципиально новом научно-техническом уровне—а именно на базе уникальной ГИС «Учебной», созданной на кафедре Общей и инженерной экологии МГУП. Была научно доказана применимость данной ГИС для решения подобного рода гидрологических задач.

3. Анализ факторов весеннего половодья показал, насколько желателен учет некоторых процессов, которыми в моделировании стока зачастую пренебрегают (испарение со снега, задержание дождя листвой). К примеру, расчет этих видов потерь не предусмотрен в нормативно-техническом издании [32] и других изданиях методического характера. Расчеты, проведенные в рамках настоящей диссертационной работы, показали, что испарение со снега за период таяния в расчетном году на открытой местности составило около 10% от максимального запаса воды в снеге перед началом таяния; в лесах различных видов—от 4 до 14%. На листве же за период от начала таяния снега до 30 июня было перехвачено от 23% слоя осадков на лугу до 40% в хвойном и смешанном лесах. В подробном расчете слоя поверхностного сто-кообразования на различных угодьях, проведенном в настоящей диссертационной работе, эти процессы не забыты. Полученные результаты соответствуют реальным значениям стока.

Показано, как скажется замена угодий одного вида угодьями другого вида. Была смоделирована новая экологическая ситуация на водосборе—весь лес (49% площади реального водосбора) заменён полевыми угодьями. В результате было получено распределение стока за период половодья, не противоречащее известным представлениям о гидрологической роли леса. Максимальный расход в результате "сведения леса" увеличился в 1,6 раза. Стали несколько выше дождевые паводки. В целом объём поверхностного стока за половодье увеличился почти на 30%.

4. Двумя способами доказана предпочтительность использования моделей с однородными метеопараметрами для изучения стока малых рек—т.е возможность задания ряда значений метеопараметров едиными для всего малого водосбора (в целях упрощения модели без существенной потери точности). Другими словами, если мы имеем дело с малым водосбором, имея ввиду имеющуюся плотность метеостанций, представляется целесообразным задавать значения метеопараметров едиными для всего водосбора (усредненными по ряду соседних станций тем или иным способом), чтобы не усложнять модель.

Как было показано во второй главе, возможности традиционных статистических способов расчета стока и метода гидрологической аналогии ограничены. Предлагаемая же программа расчета поверхностного притока к русловой сети после включения её в более общую модель, учитывающую и русловую трансформацию, может стать хорошим инструментом прогнозирования стока вдоль всего водотока в зависимости от антропогенных изменений на водосборах.

1. Андреев И.Д. Теория как форма организации научного знания. М., Наука, 1979,301 с.

2. Антонов А.Н. Гидрологическая роль лесных геосистем.—Новосибирск, 1989.

3. Аполлов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов.—J1, 1974

4. Архангельский В.А. 1947. Расчеты неустановившегося движения в открытых руслах. // M.-JL, Изд. АН СССР, 134с.

5. Беффани Н. Ф., Калинин Г. П. Упражнения и методические разработки по гидроло-гическим прогнозам: учебное пособие для вузов по спец. "Гидрология суши".—JL: Гидрометеоиздат, 1983.

6. Богушевский А.А. Мелиорации в зоне многолетней мерзлоты.—М. : Колос, 1974.

7. Бронштейн И.П., Семендяев К.А. Справочник по математике : для инженеров и учащихся втузов.—М.: Наука, 1986.

8. Брязгин Д.А. Моделирование неустановившегося движения воды в речных руслах при недостатке морфометрических данных. // Проблемы безопасности при чрезвычайных ситуациях. №6, С. 22-29. 1996.

9. Бел ьч и ков В.А., Корень В. И., Кучмент JI. С. Методические указания к построению математической модели формирования дождевых паводков для выпуска оперативных прогнозов расходов воды с помощью ЭВМ.—М, 1974.

10. Ю.Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока : опыт критического анализа.—JL: Гидрометеоиздат, 1986.

11. Вольцингер Н.Е., Пясковский Р.В. Теория мелкой воды. // J1: 1977.

12. Геодезия и картография 1974/2-6; 1975/10 и др.

13. Гидрогеологическое прогнозирование.—М.: Мир, 1988.Гидрометеоиздат. 208с.

14. И.Грушевский М.С. Некоторые вопросы неустановившегося движения воды в естественных руслах и водоемах. // Тр. ГГИ. Выи. 121, С.6-21. 1965.

15. Грушевский М.С. Неустановившееся движение воды в реках и каналах.—Л.:Гидрометеоиздат, 1982.

16. Грязнов B.JI., Полежаев В.И. Исследование некоторых разностных схем и аппроксимаций граничных условий для численного решения уравнений тепловой конвекции. // Препринт № 40, ИПМ АН СССР, Москва, 52с. 1974.

17. Данные агрометеонаблюдений метеостанций Переславль-Залесский, Александров, Дмитров, Загорск, Ростов, Калязин, Углич, Шуя (таблицы ТСХ из архива Гидрометеоцентра).

18. Демидов В.Н., Корень В.И. Расчет склонового стока но двумерной модели с учетом инфильтрации. // Тр. Гидрометцентра СССР,вып.183,С.4-9 1977.

19. Демидов В.Н., Кучмент JI.C. Двумерная гидродинамическая модель отекания воды но водосбору и ее численная реализация. // Вод. ресурсы, №1, С. 168-179 1975.

20. Демидов В.Н., Лобанская Н.П. Применение двумерной модели формирования ливневого стока к расчету дождевого коллекторного стока с урбанизированной территории. // Вод. ресурсы, №2, С.65-71 1981.

21. Ежегодные данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Бассейн Каспийского моря. Бассейн Волги (Верхнее течение).(Ежегодники ГВКза 1930-1987гг.) .—Л.: Гидрометеоиздат, 1931 -1989гг.

22. Иванов А.Н., Неговская Т.А. Гидрология и регулирование стока.—2-е изд., перераб. и доп.—М., Колос, 1979.

23. Идзон П.Ф. Пименова Г.С. Влияние леса на сток рек.—М.:Наука, 1975.

24. Калинин Г.П., Милюков П.И. Приближенный расчет неустановившегося движения водных масс. // Труды ЦИП, вып. 66. 72с. 1958.

25. Канторович В.К., Кучмент JI.C. Применение метода конечных элементов к расчетам неустановившегося движения воды но уравнениям Сен-Венана. // Вод.ресурсы, №6, С.45-53. 1981.

26. Карасев И.Ф. Русловые процессы при переброске стока .— JL: Гидроме-теоиздат, 1975.

27. Климатологичесий справочник СССР. Вып.8 Ярославская, Калининская, Московская, Владимирская, Смоленская, Калужская , Рязанская и Тульская области. Метеорологические данные за отдельные годы. Солнечная радиация и радиационный баланс.— Горький,1972.

28. Коваленко В. В. Измерение и расчет характеристик неустановившихся речных потоков. //Л.: Гидромстеоиздат, 160с. 1984.

29. Комаров В.Д. Долгосрочный прогноз весеннего стока рек Черноземной зоны рек Европейской части СССР на основе территориально-общих закономерностей.—Л.: Гидрометеоиздат, 1955.

30. Корень В. И., Бельчиков В. А. Методические указания по использованию методов краткосрочных прогнозов ежедневных расходов (уровней) воды для речных систем на основе математических моделей.—Л.: Гидрометеоиздат, 1989г.

31. Корень В.И. 1991. Математические модели в прогнозах речного стока. //Л: Гидрометеоиздат, 200с.

32. Корень В.И., Кучмент Л.С. Идентификация параметров моделей стока с распределенными параметрами. // Тр. Гидрометцентра СССР. вып. 131,С.3-22. 1974.

33. Корявов П.П, Григорьев В.В, Маханов С.С. Построение и реализация на ЭВМ системы гидрологических моделей речного бассейна. // М.: ВЦ АН СССР, 32с. 1987.

34. Костяков А.Н. Избранные труды. Том 1 и 2.- М., 1961.

35. Кузьмин. П. П. Процесс таяния снежного покрова.— J1.: Гидрометеоиз-дат,1961.

36. Кучмент JLC. Гидрологическое прогнозирование для управления водно-ресурсными системами. // М.: ВИНИТИ, т.4, 120с. 1981.

37. Кучмент JI.C. Модели процессов формирования речного стока.—Л.: Гидрометеоиздат, 144с. 1980.

38. Кучмент JI. С., Гельфан А. Н., Демидов В. Н. Модель формирования стока на водосборах зоны вечной мерзлоты "Водные ресурсы", 2001. Вод. ресурсы, №4., т.24,—М. : изд. "Наука", 2000.

39. Кучмент Л.С., Трубихип Н.А. Двумерная модель формирования стока на водосборе, основанная на уравнениях кинематической волны. //Тр. Гидрометцентра СССР, вып. 183. С.21-28. 1977.

40. Кюнж Ж. А., Холи Ф. М, Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики.—М.: Энергоатомиздат, 256с. 1985.

41. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики. М. .Наука, 1977.-456с.

42. Мелиорация и водное хозяйство. Т.5 Орошение.— М.: ВО "Агропромиздат", 1988.

43. Метеорологические ежегодники (за 1965-1966.1976-1977гг.) Наблюдения гидрометеорологических станций и постов над снежным покровом (снегосъёмки).

44. Милитеев А.Н. Численные исследования планов течении открытых потоков. // В кн.: Гидравлика и фильтрация. М. Со. научн.тр. Гидропроект, 250с. 1979.

45. Милитеев А.Н., Школьников С.Я. 1981. Численные исследования планов течения в руслах со сложным рельефом дна. // Водные ресурсы, №3. С. 126-134.

46. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши. Бассейн Волги (Верхнее течение). —Л.: Гидрометеоиздат, изд. 1-е, 2-е, 3-е и 4-е.

47. Национальные парки России. Справочник. Под ред. И. В. Чебаковой.— ЦОДП. 1996.

48. Никулин В.П. Похожаев С.И. 1995. Практический курс по уравнениям математической физики. // М: Наука, 224с.51 .Озера Ярославской области и перспективы их хозяйственного использования.—Ярославль.: Верхне-Волжское книжное издательство, 1970.

49. Попов Е.Г. Гидрологические прогнозы. Учебник. //Л: Гидрометеоиздат, 1979.

50. Практикум по инженерной гидрологии и регулированию стока / Е. Е. Овчаров, Н. Н. Захаровская, В.В. Ильинич и др.; Под ред. Овчарова Е. Е. — М.: Колос, 1996.

51. Природа Ярославской области и её охрана: Сб. ст. 2-е издание, перераб. и доп.— Ярославль.: Верхне-Волжское книжное издательство, 1970.

52. Рекомендации по расчету испарения с поверхности суши.—Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

53. Романов А.В. Особенности некоторых регуляризирующих процедур при определении морфомометрических характеристик речного русла. // "Тр. Гидрометцентра СССР", вып. 168, С. 38-50. 1975.

54. Романов АЛ. Применение метода конечных элементов дня численного интегрирования уравнений мелкой воды. // Водные ресурсы, №3. С.309-312. 1993.

55. Самарский А.А. 1965. О монотонных разностных схемах дня эллиптических и параболических уравнений в случае несамосопряженного элипти-ческого оператора. // Жури, вычисл. матем. и матем. физ., N'3. С.25-32.

56. Самарский А.А. Теория разностных схем. //М: Наука. 616с. 1983.

57. Светличный А.А., Светличная И.А. Пространственное моделирование склонового стокообразования /Вод. Ресурсы т.28, М: Наука, 2002г.

58. Справочник по климату СССР. Вып.8 Ярославская, Калининская, Московская, Владимирская, Смоленская, Калужская, Рязанская и Тульская области. Части1-4.— JL: Гидрометеоиздат,1988.

59. Указания по расчёту испарения с поверхности водоёмов.—JL: Гидрометеоиздат, 1969.

60. Условные знаки, образцы шрифтов и сокращения для топографических карт масштабов 1:25000, 1:50000, 1:100000 (1:75000).—М. : б/изд, 1946.

61. Федоренко Р.И. Введение в вычислительную физику. // М.: Изд-во Моск. физ.-техн. ин-та. 528с. 1994.

62. Штеренлихт Д.В. Гидравлика. 1984. //М: Энергоатомизат. 640с.

63. Штофф В.А. Моделирование и философия. M.-J1., Наука, 1966.

64. Bras R.L. 1990. Hydrology. // Reading, Massacliusetts. Addison-Wesley Publishing Com-pany, Inc. 652 pp.

65. Garrote L., Bras L.R. An integrated software environment for real-time use of a dis-tributed hydrologic model. //J. Hydrol., 167, p.307-326. 1995.

66. Georgakakos K.P., Sperfslage J.A., Guetter A.K. Operational GIS-based models for Nexrad radar data in the U.S. // Proc. of the Int Conf. On. 1996.

67. Gonwa W.S. and Kawas M.L. A modified diffusion equation for flood propagation in trapezodial channels. //J. Hydrol., 83, p.l 19-136. 1986.

68. Hager H. W. and Rutschmann P. Diffusion of floodwaves. // J. Hydrol., 178. p. 19-32.

69. Szymkiewicz R. 1993. Solution of the inverse problem for the Saint Venant equations. //J.Hydrol., 147, p. 105-120. 1996.

70. Van de Nes Th.J. and Hendricks. Analysis of a linear distributed model of surface runoff, Report 1. // Laboratory of Hydraulics and catchment hydrology, Agricultural univer-sity, Wageningen, Tlie Netherlands. 130p. 1971.

71. Weinmann P.E., Laurenson E.M. Approximate flood rotting methods: a review. //J. Hydr. Div. ASCE, no. HY12, 105, p. 1521-1531. 1979.

72. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

73. Евграфов А.В. О структуре моделей типа осадки-сток. / В сборнике: Природ ообустройство сельскохозяйственных территорий.—М.: МГУП; 2001.

74. Евграфов А. В., Никитенков Б.Ф. О предпочтительности использования моделей с однородными параметрами для изучения стока малых рек / там же.

75. Евграфов А. В. О результатах расчёта снеготаяния различными методами на водосборе р Нерль / там же.

76. Евграфов А. В. О расчёте неустановившегося движения воды в речной системе (бассейн Нерли Волжской) с применением ГИС. / В сборнике: Природоохранное обустройство территорий. Сборник материалов научно-технической конференции 23-25 апреля.—М.: МГУП; 2002.