Моделирование активного метода борьбы с паводками
На підставі гідравлічної моделі річкового стоку розглянуто сценарій розвитку катастрофічного зливового паводка 23–27 липня 2008 р. в українській частині басейну р. Сірет, а також сценарій можливого розвитку цього паводка після застосування двох ємностей, що акумулюють воду, у гірській та рівнинній ч...
Збережено в:
| Дата: | 2011 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
2011
|
| Назва видання: | Доповіді НАН України |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37806 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Моделирование активного метода борьбы с паводками / В.А. Иванов, И.А. Овчаренко, А.В. Прусов // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 124-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-37806 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-378062012-10-23T12:16:04Z Моделирование активного метода борьбы с паводками Иванов, В.А. Овчаренко, И.А. Прусов, А.В. Науки про Землю На підставі гідравлічної моделі річкового стоку розглянуто сценарій розвитку катастрофічного зливового паводка 23–27 липня 2008 р. в українській частині басейну р. Сірет, а також сценарій можливого розвитку цього паводка після застосування двох ємностей, що акумулюють воду, у гірській та рівнинній частинах басейну. Показано, що у випадку застосування цих ємностей катастрофу можна було б запобігти. Using a hydraulic river flow model, we conduct the simulation of the catastrophic flood flow on the Ukrainian part of the Siret river on July 23–27, 2008. Results are compared with those of a simulation of the same flood but with two reservoir flood control systems installed in hilly and flat areas of the river basin. We conclude that the catastrophe could have been prevented by installing the two flood control systems. 2011 Article Моделирование активного метода борьбы с паводками / В.А. Иванов, И.А. Овчаренко, А.В. Прусов // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 124-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1025-6415 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37806 551.46:532 ru Доповіді НАН України Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Науки про Землю Науки про Землю |
| spellingShingle |
Науки про Землю Науки про Землю Иванов, В.А. Овчаренко, И.А. Прусов, А.В. Моделирование активного метода борьбы с паводками Доповіді НАН України |
| description |
На підставі гідравлічної моделі річкового стоку розглянуто сценарій розвитку катастрофічного зливового паводка 23–27 липня 2008 р. в українській частині басейну р. Сірет, а також сценарій можливого розвитку цього паводка після застосування двох ємностей, що акумулюють воду, у гірській та рівнинній частинах басейну. Показано, що у випадку застосування цих ємностей катастрофу можна було б запобігти. |
| format |
Article |
| author |
Иванов, В.А. Овчаренко, И.А. Прусов, А.В. |
| author_facet |
Иванов, В.А. Овчаренко, И.А. Прусов, А.В. |
| author_sort |
Иванов, В.А. |
| title |
Моделирование активного метода борьбы с паводками |
| title_short |
Моделирование активного метода борьбы с паводками |
| title_full |
Моделирование активного метода борьбы с паводками |
| title_fullStr |
Моделирование активного метода борьбы с паводками |
| title_full_unstemmed |
Моделирование активного метода борьбы с паводками |
| title_sort |
моделирование активного метода борьбы с паводками |
| publisher |
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України |
| publishDate |
2011 |
| topic_facet |
Науки про Землю |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/37806 |
| citation_txt |
Моделирование активного метода борьбы с паводками / В.А. Иванов, И.А. Овчаренко, А.В. Прусов // Доп. НАН України. — 2011. — № 6. — С. 124-130. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. |
| series |
Доповіді НАН України |
| work_keys_str_mv |
AT ivanovva modelirovanieaktivnogometodaborʹbyspavodkami AT ovčarenkoia modelirovanieaktivnogometodaborʹbyspavodkami AT prusovav modelirovanieaktivnogometodaborʹbyspavodkami |
| first_indexed |
2025-07-03T19:39:07Z |
| last_indexed |
2025-07-03T19:39:07Z |
| _version_ |
1836655887003942912 |
| fulltext |
УДК 551.46:532
© 2011
Академик НАН Украины В.А. Иванов, И. А. Овчаренко,
А.В. Прусов
Моделирование активного метода борьбы с паводками
На пiдставi гiдравлiчної моделi рiчкового стоку розглянуто сценарiй розвитку ката-
строфiчного зливового паводка 23–27 липня 2008 р. в українськiй частинi басейну р. Сi-
рет, а також сценарiй можливого розвитку цього паводка пiсля застосування двох
ємностей, що акумулюють воду, у гiрськiй та рiвниннiй частинах басейну. Показано,
що у випадку застосування цих ємностей катастрофу можна було б запобiгти.
По сообщениям средств массовой информации [http//www.lenta.ru/], из-за катастрофичес-
кого паводка, обрушившегося на регион Карпат 23–27 июля 2008 г., погибли или пропали
без вести 38 человек, были подтоплены 1014 населенных пунктов, 45 тыс. домов, 65 тыс. га
сельскохозяйственных угодий. Повреждены и затоплены 780 км автомобильных дорог, 591
автомобильный и 652 пешеходных моста.
Основные факторы, обусловившие эту катастрофу, можно разбить на две группы: при-
родные и антропогенные. К природным относятся чрезмерное количество осадков, зна-
чительно превысившее водорегулирующую способность геоэкологической системы Карпат,
а также перенасыщенность влагой лесных массивов и почвы непосредственно перед па-
водком; к антропогенным — отсутствие целостной системы гидротехнических сооружений,
плохой уход (или отсутствие ухода) за руслами рек и потоков, дорожными сооружениями
и подпорными стенками, несвоевременное проведение противоэрозионных и противоополз-
невых мероприятий, некачественное лесохозяйствование.
Ясно, что пассивные методы защиты (дамбы, подпорные стенки) против таких паводков
малоэффективны. Следует активней использовать регулирование водных потоков аккуму-
лирующими емкостями, что доказано практикой их применения в Украине (на р. Днестр)
и за рубежом (например, в Венгрии на р. Тиса). О необходимости применения так на-
зываемых сухих емкостей — как радикальном средстве сдерживания катастрофических
паводков — сказано в Государственной целевой программе комплексной противопаводко-
вой защиты в бассейнах рек Днестр, Прут и Сирет, которая утверждена Постановлением
Кабинета Министров Украины от 27 декабря 2008 г. № 1151.
Прежде чем начать работы по созданию “сухих” емкостей следует на основе физико-ма-
тематического моделирования оценить, какое количество емкостей потребуется; определить
их точное местоположение и гидрологические параметры (ширина, высота плотин, пропуск-
ная способность и т. п.); проанализировать экономические и экологические последствия
строительства.
Для примера смоделируем катастрофический паводок, вызванный летним ливнем в бас-
сейне р. Сирет (рум. Siret), и возможные последствия строительства там аккумулирующих
емкостей.
Отметим три сценария: 1) имитация катастрофического ливневого паводка 23–27 июля
2008 г.; 2) тот же паводок, но при наличии одной “сухой” емкости в горной части р. Сирет;
3) тот же паводок при наличии двух “сухих” емкостей: на р. Сирет и р. Малый Сирет.
124 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6
Для оценок используем гидравлическую модель водостока [1, 2], использующую дан-
ные о возвышении земной поверхности из массива DTED Level 1 (пространственный шаг
равен 3′′ [http://edc.usgs.gov/]).
Рассмотрим регион Украинских Карпат размером 74,4 × 55,8 км = 1200 × 600 ячеек
(48◦20′ с.ш. — 47◦50′ с.ш., 25◦10′ в. д. — 26◦10′ в. д.). Гидрографическая сеть региона до-
вольно сложна: кроме главных рек — Сирет, Малый Сирет, Михидра — имеется множество
малых рек, каналов, плотин, водохранилищ, дамб. Рельеф региона трансформируется от
гор на западе (населенные пункты Долишний Шепот — Лопушна — Берегомет — Луковец)
до плато (высотой порядка 300 м) на востоке (Каменка — Черепковцы — Сирет (Румыния)).
Нами применялся описанный в литературе [3] алгоритм автоматизированного опреде-
ления направлений потоков, использующий данные о гидрографической сети региона, по-
лученные с топографических карт масштаба 1 : 50 000 и 1 : 100 000.
Входными данными модели являются возвышение земной поверхности, а также дан-
ные (модельные или наблюденные) об атмосферных осадках, испарении, поверхностном
и грунтовом стоках.
Использовалась линейная модель [2], в которой перенос воды из точки в точку вычислял-
ся по данным о направлении потока и коэффициентам релаксации поверхностного Ts(x, y, t),
подземного Td(x, y, t) и руслового Tr(x, y, t) стоков.
Общий расход воды (м3/с), поступающей в каждую ячейку, состоит из суммы:
Rs +Rd + (Pw − Ew) + Fin,
где Rs — сток с поверхности; Rd — подземный сток; Pw и Ew — осадки и испарение с по-
верхности воды; Fin — суммарный приток из вышележащих ячеек.
В каждой ячейке одновременно вычисляются изменения объемов воды в трех условных
бассейнах: Vs, Vd, Vr — поверхностном, подповерхностном и речном, где суммируются пото-
ки из соседних ячеек, плюс локальный поверхностный и подземный стоки, минус излишки
после заполнения депрессий рельефа.
Каждой ячейке с координатами (x, y) соответствует система трех обыкновенных диф-
ференциальных уравнений первого порядка:
dVs
dt
(x, y, t) +
1
Ts(x, y, t)
Vs(x, y, t) = Rs(x, y, t), (1)
dVd
dt
(x, y, t) +
1
Td(x, y, t)
Vd(x, y, t) = Rd(x, y, t), (2)
dVr
dt
(x, y, t) +
1
Tr(x, y, t)
Vr(x, y, t) =
= [1− α(x, y, t)]
[
Vs
Ts
+
Vd
Td
]
+ α(x, y, t)[Pw(x, y, t)− Ew(x, y, t)] + Fin(x, y, t) (3)
и начальные условия:
Vs(x, y, 0) = V0s(x, y), Vd(x, y, 0) = V0d(x, y), Vr(x, y, 0) = V0r(x, y), (4)
где α(x, y, t) — доля площади поверхности ячейки, занятая водой.
Использовались данные о типах землепользования с пространственным разрешением
1 км [4]. Tr(x, y, t) определялось как отношение расстояния L(x, y) между центрами данной
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 125
ячейки и ячейки, лежащей ниже по течению, к средней скорости течения u(x, y, t) в данной
точке. Скорость u, а значит, и коэффициент Tr вычислялись по формуле Шези, согласно
справочнику П. Г. Киселева (1957): Tr на каждом шаге по времени пересчитывался в каждой
ячейке по формуле
Tr(x, y, t) =
L(x, y)
u(x, y, t)ср
, (5)
где u(x, y, t)ср = C(x, y, t)
√
r(x, y, t) · i(x, y, t); r — гидравлический радиус; i — уклон; C —
коэффициент трения. Для его определения применялась эмпирическая формула по Кисе-
леву:
C = ry
1
n
, (6)
где y = 2,5
√
n − 0,13 − 0,75
√
r(
√
n − 0,1).
Следуя методике [5], успешно применяемой, например, в модели SWAT (Soil and Water
Assessment Tool, http://swatmodel.tamu.edu/), выпавшие осадки переводились в склоновый
сток с помощью специального эмпирического коэффициента CN , зависящего от инфильтра-
ционных свойств почвы, растительного покрова, количества водонепроницаемых площадей,
барьеров и потенциальных хранилищ воды на поверхности (ямки, канавки и т. п.):
Rs =
(P − I0)
2
(P − I0) + S
, (7)
где Rs — сток, мм; P — осадки, мм; S — влагоемкость почвы после начала стока, мм; I0 —
начальный отбор, мм. При этом
I0 = 0,2S, Rs =
(P − 0,2S)2
P + 0,8S
, S =
(
1000
CN
− 10
)
· 25,4. (8)
При настройке модели вместо полей атмосферных осадков использовались композитные
поля среднегодовых значений склонового стока из работы [6]. “Заполнение” водой с времен-
ным шагом в 12 с длилось до достижения стационарного решения задачи (1)–(4) — около
семи модельных суток. Это время соответствует времени добегания воды от истока р. Сирет
до населенного пункта Сирет (рис. 1). В результате получились значения расходов, хорошо
соответствующие данным многолетних наблюдений в пунктах, указанных на рис. 1.
Получить поле атмосферных осадков с пространственно-временным разрешением, соот-
ветствующим задаче (1)–(4), по данным сети метеопостов, конечно, нельзя. Остается либо
аппроксимировать доступные данные наблюдений на более мелкую пространственно-вре-
менную сетку, либо, используя подходящую региональную модель атмосферной циркуля-
ции, рассчитывать поля осадков с нужным пространственно-временным разрешением.
Пространственно-временное поле атмосферных осадков (летний ливень 23–27 июля
2008 г.) в данной работе было сформировано следующим образом. В качестве реперного
был выбран временной ход 12-секундных сумм осадков, сформированный из наблюденных
в г. Новоднестровске 3-часовых сумм [архив http://rp5.ru/].
Процесс развивался приблизительно так: за сутки до начала катастрофы выпало более
10 мм осадков, что привело к увлажнению почвы и лесных массивов, а затем начался
126 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6
Рис. 1. Карта-схема направлений водных потоков в украинской части бассейна р. Сирет
катастрофический ливень. За первые 12 ч выпало 73 мм осадков. После часовой паузы —
еще 27 мм. За вторые сутки выпало “всего” 25 мм. Третьи сутки — пауза (1 мм), а 26 июля
(четвертые сутки) — новый удар: 78 мм.
Таким образом, за четверо суток с 23 по 26 июля 2008 г. в Новоднестровске выпа-
ло более 200 мм осадков (трех-четырехмесячная норма [Национальный атлас Украины,
http://wdc.org.ua/atlas/].
Годовые суммы осадков в регионе, представленном на рис. 1, меняются от 1000 мм/год
и более в западной (горной) части региона, до 600 мм/год в восточной части. Пропорцио-
нально этому пространственному распределению было сформировано поле атмосферных
осадков для всего региона.
На рис. 2 показаны модельные гидрографы для населенных пунктов Долишний Шепот,
Сторожинец, Сирет, полученные, исходя из сформированного нами поля пространствен-
но-временного распределения осадков (гидрографы для остальных пунктов, отмеченных
на рис. 1, не приведены).
Паводок такого масштаба, как наш модельный, случается в данном регионе примерно
один раз в 50 лет. По данным работы [7], максимальный за 1952–2002 гг. расход р. Сирет
в г. Сторожинец зафиксирован 13 июля 1969 г. и был равен 816 м3/с. В нашем случае
максимальный расход в пункте Сторожинец составил 815 м3/с (см. рис. 2, тонкая сплошная
линия, середина первых суток).
Посмотрим, какие изменения могли произойти, если бы на р. Сирет перед с. Лопушна
(см. рис. 1) была проложена труба диаметром 2 м с защитной решеткой, а над ней построена
плотина высотой около 20 м. В результате во время паводков часть воды Q, рассчиты-
ваемая по формуле (9), уходила бы через трубу дальше, в русло реки, а остаток временно
аккумулировался бы в образовавшейся “сухой” емкости (максимальная площадь ее водного
зеркала 0,780 км2, максимальный объем 8 073 000 м3).
Расчет водоспуска Q (м3/с) при плотине проводился по известным полуэмпирическим
методикам на основе формулы Торричелли (см. справ. П. Г. Киселева, 1957). Приведем
вариант расчета при истечении воды из трубы в атмосферу:
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 127
Рис. 2. Ожидаемый расход Q в пунктах Долишний Шепот (штриховая кривая), Сторожинец (тонкая кри-
вая), Сирет (толстая кривая)
Q = µ
πD2
4
√
2gH, (9)
где D — диаметр трубы; H — высота воды. Коэффициент расхода µ равен
µ =
1
∑
√
1 +
∑
ζ + λ
l
D
, (10)
где
∑
ζ — сумма коэффициентов местных сопротивлений, учитывающих наличие (обяза-
тельное) решетки при входе в трубу, наличие затвора и плавного входа в нее (не обяза-
тельно); λ — коэффициент сопротивления по длине (для больших диаметров независимо
от материалов стенок трубы λ ≈ 0,025).
Процесс заполнения и опорожнения этой аккумулирующей емкости в течение пяти па-
водковых суток иллюстрирует рис. 3, откуда видно, что максимальный объем воды в емко-
сти достиг бы почти 8 000 000 м3. Заметим, что даже при таком, экстремальном для данной
аккумулирующей емкости объеме воды, ее уровень все равно бы не поднялся до проходящей
рядом с плотиной автомобильной дороги (карта этого района не приводится).
В пунктах Долишний Шепот, Сторожинец, Сирет при наличии двух аккумулирующих
емкостей приведены оценки ожидаемых расходов (рис. 4). К первой емкости добавлена
вторая, в районе с. Верхние Петровцы на р. Малый Сирет (см. рис. 1). Ее параметры:
диаметр трубы 3 м, высота плотины 11 м, максимальная площадь водного зеркала 2,929 км2,
максимальный объем 13 669 000 м3.
Видно, что в пункте Долишний Шепот (выше 1-й емкости) никаких изменений не про-
изошло, в пункте Сторожинец, на расход воды в котором влияет только первая аккумули-
рующая емкость, произошло значительное уменьшение расхода — в пиках с 800 до 600 м3/с.
128 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6
Рис. 3. Ожидаемое изменение объема V воды в аккумулирующей емкости на р. Сирет (выше с. Лопушна)
во время паводка 23–27 июля 2008 г.
Рис. 4. Ожидаемый расход Q в пунктах Долишний Шепот (штриховая кривая), Сторожинец (тонкая
кривая), Сирет (толстая кривая) при наличии двух аккумулирующих емкостей в с. Лопушна (р. Сирет)
и с. Верхние Петровцы (р. Малый Сирет)
Отметим также более медленное спадание величины Q после прекращения дождя (см. вре-
менные интервалы от 48 до 72 ч и от 96 до 120 ч на рис. 2 и 4).
В населенном пункте Сирет (см. рис. 1) эффект еще сильнее из-за влияния на расход Q
второй аккумулирующей емкости, “построенной” нами на р. Малый Сирет. Сравнивая рис. 2
и 4, убеждаемся, что максимумы Q уменьшились здесь с 1200 м3/с и более до 800 м3/с, что
в пересчете на уровень воды в реке составляет примерно 1 м.
Таким образом, согласно предварительным оценкам, основанным на результатах фи-
зико-математического моделирования процесса развития ливневого катастрофического па-
ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2011, №6 129
водка на р. Сирет, — проблема катастрофических паводков в украинской части бассейна
р. Сирет кардинально решается путем создания в регионе 3–4 емкостей, аккумулирующих
часть руслового стока во время паводков.
Ввиду высокой стоимости проектов такого рода, вопрос о количестве емкостей, их точ-
ном местоположении и гидрологических параметрах требует более детальной эксперимен-
тальной и теоретической проработки после проведения полевых гидрогеологических изыс-
каний. Потребуется повторное (уточняющее) моделирование, учитывающее результаты но-
вых данных натурных наблюдений, а после него — анализ экономических и экологических
аспектов проблемы (доступности места строительства, состояния гидрографической сети,
заселенности района, развития промышленности и сельского хозяйства, сплава леса и т. п.).
1. Иванов В.А., Прусов А.В. Гидравлическая модель водной системы Украины // Доп. НАН Укрӓıни. –
2004. – № 9. – С. 119–125.
2. Иванов В.А., Прусов А. В. Речной сток юга Украины: количественные оценки паводков, принципы
управления и прогноз. – Севастополь: ЭКОСИ-Гидрофизика, 2006. – 232 с. – [Сб.].
3. Иванов В.А., Прусов А.В. Автоматизированный поиск направлений водных потоков по данным циф-
ровых моделей рельефа // Доп. НАН Укрӓıни. – 2006. – № 11. – С. 165–171.
4. Masson V., Champeaux J.-L., Chauvin F. et al. Global database of land surface parameters at 1 km
resolution in meteorological and climate modeles // J. Climate. – 2003. – 16, No 9. – P. 1261–1282.
5. Urban Hydrology for Small WaterSheds // US Department of Agriculture, Natural Resources Conservation
Service, Conservation Engineering Division. – Techn. Rel. 55. – Washington, 1986. – 152 p.
6. Fekete B.M., Vörösmarty C. J., Grabs W. Global Composite Runoff Fields Based on Observed River
Discharge and Simulated Water Balances. – Koblenz: WMO-Global Runoff Data Centre, 1999. – 109 p.
7. Сусiдко М.М., Полякова С.О., Щербак А. В. Каталог характеристик дощових i снiго-дощових павод-
кiв на рiчках Карпатського регiону за 1989–2002 роки // Наук. працi Укр. наук.-дослiд. гiдромете-
реолог. iн-ту, 2006. – Вип. 255. – С. 299–310.
Поступило в редакцию 08.11.2010Морской гидрофизический институт
НАН Украины, Севастополь
Academician of the NAS of Ukraine V. I. Ivanov, I. A. Ovcharenko, A. V. Prusov
Hydraulic river flow modeling: an active method of flood prevention
Using a hydraulic river flow model, we conduct the simulation of the catastrophic flood flow on
the Ukrainian part of the Siret river on July 23–27, 2008. Results are compared with those of a
simulation of the same flood but with two reservoir flood control systems installed in hilly and flat
areas of the river basin. We conclude that the catastrophe could have been prevented by installing
the two flood control systems.
130 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2011, №6
|