Upload
esmoreido
View
98
Download
7
Embed Size (px)
DESCRIPTION
Б.И. ГарцманТИГ ДВО РАН
Citation preview
Flood Cycle Model - новый подход кмоделированию экстремальных дождевыхпаводков
Б.И.Гарцман ([email protected])
Лаборатория гидрологии и климатологии ТИГ ДВО РАНhttp://tig.dvo.ru/tig/
2
Содержание
ВведениеКонцепцияМатематический аппаратПараметризацияПрименения имитационной моделиБассейновое контррегулирование стока
Введение 3
Мотивация подхода
Российский Дальний Восток – один из слабо изученныхрегионов мира
Реально доступной и надежной является только информация остоке, в меньшей степени – об осадках
Необходима универсальная модель для решения всех задачрасчетов и прогнозов
Необходима модель, пригодная для неизученных бассейнов
Модель должна быть адекватной, простой, малопараметрической, с независимой параметризацией
Необходимо отобразить специфику формированияэкстремальных дождевых паводков
Введение 4
Публикации по теме
Гарцман Б.И., Губарева Т.С. Прогноз гидрографа дождевых паводков на рекахДальнего Востока // Метеорология и гидрология. N5 2007. с.70-80Гарцман Б.И. Эффект бассейнового контррегулирования при формированииэкстремальных дождевых паводков // География и природные ресурсы, 2007. №4, C. 14-21.Гарцман Б.И. Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока: методырасчетов, прогнозов, оценок риска. Владивосток: Дальнаука, 2008. 223 с.Гарцман Б.И., Губарева Т.С., Бугаец А.Н., Макагонова М.А.. Краткосрочный прогнозпритока воды в водохранилище Бурейской ГЭС // Гидротехническое строительство. 2009. №1. 11-20
Ссылки:Калинин Г. П. Проблемы глобальной гидрологии. – Л.: Гидрометеоиздат, 1968. – 375 с.Гарцман И. Н. Некоторые аспекты системного подхода в гидрометеорологии // Проблемы анализа гидрометеорологических систем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1976. – С. 3–47. (Тр. ДВНИГМИ; Вып. 54).Гарцман И. Н. Системные аспекты моделирования в гидрологии // Проблемы ана-лизагидрометеорологических систем. – Л.: Гидрометеоиздат, 1977. – С. 3–84. (Тр. ДВНИГМИ; Вып. 63). Brutsaert, W., 2005. Hydrology: An Introduction. Cambridge University Press, Cambridge, UK.
Концепция 5
'''31 :),( ETQSPtt +=∆+
Критический расход воды (Qкр)
ETQPtt +=:),( 21
ПаводочныйПаводочный циклцикл
ДиаграммаДиаграмма бассейновойбассейновой емкостиемкости
''''''23 :),( QPSETtt −=∆+
]1,0[)(max)(''')(
ξϕ ⋅+=∆+∆=∆∆=
QSQSSSSfQ
TMCFMCTMC
TMCGCCkbp
−==
CBFMC
OBTMC
=
= OСGCC =
Концепция 6
• Под соединенным (connected) гравитационным влагозапасом здесь подразумеваемвесь объем воды в бассейне, который в данный момент движется подвоздействием гравитации и гидравлически связан с расходом в замыкающемстворе, т.е. пронизан непрерывными линиями тока от каждой точки дозамыкающего створа.
• Русловой влагозапас определяется как весь объем воды в руслах, в которых вданный момент течение осуществляется как в открытых каналах, всоответствии с законом Шези.
• Грунтовый влагозапас определяется как весь объем воды в почвогрунтах, который в данный момент движется путем фильтрации в насыщенном слое, в соответствии с законом Дарси.
• Влагозапас верховодки - микрообъемы гравитационной влаги в поверхностныхпонижениях и подповерхностных макропорах, которые в данный момент могутбыть объединены временной дренажной сетью (и составлять частьгравитационного влагозапаса), или разъединены, или быть пустыми
• Негравитационный влагозапас включает почвенную влагу, которая относительномалоподвижна, удерживается капиллярными и другими внутрипочвенными силамии расходуется в бытовых условиях на испарение.
Компоненты бассейнового влагозапаса
Концепция 7
Режимы
Внутриобъемногостокоформирования
РасходПриток
r
cr
FFQQ
=<
Приповерхностногостокоформирования
РасходПриток
cr
cr
FFFQQ
+=>
«Прорывного»стокоформирования
РасходПриток bcr
bur
FFFFQQ
++=>
Q, m3/secQscrQcr
imax i, km/km2
ibas
Концепция 8
1. Существует критический расход воды Qcr – постоянный параметр малогоречного бассейна, однозначно фиксирующий момент наполнения бассейновойемкости и начало (или прекращение) 100%-го стока.
2. Существуют характерные величины полного бассейнового влагозапаса и егоосновных составляющих – гравитационного и негравитационноговлагозапасов, - соответствующие моменту наполнения бассейновой емкостипри расходе, равном критическому Q=Qcr.
3. Расход в замыкающем створе малого речного бассейна функционально связанодновременно с величинами его гравитационного и руслового влагозапасов.
4. Независимая (свободная) динамика каждого стокоформирующего компонентабассейновой емкости представляется степенной зависимостью расхода отсоответствующего влагозапаса Q=kSn.
5. В момент наполнения бассейновой емкости и при отсутствии поступленияосадков динамика гравитационного влагозапаса совпадает с динамикойруслового влагозапаса в смысле равенства первой и второй производной.
Принципы модели паводочного цикла
Математический аппарат 9
Блок-схема паводочного цикла
Математический аппарат 10
Коэффициент эффективных осадков
eg
g
eg
gPQ dSdS
dSSSd
dSk
+=
+=
)( dgm
dgde dRmaRdR 1−=
gm
gmg
mge dSSGCC
GCCma
GCCSGCC
dGCC
SGCCma
FMCSFMCd 1
1
)( −−
−−=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛ −=⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −
gm
gme dSFMCSGCCGCCmadS ⋅−= −1)(
( )⎪⎩
⎪⎨
⎧
<+⋅−⋅⋅
≥
=− crmm
g
mcr
PQ QQGCCFMCSGCCam
GCC
QQk ,
,1
1
baRR mdgde +=
FMCSFMC
FMCSR ee
de)( −
=∆
=GCC
SGCCGCCS
R ggdg
)( −=
∆=где и
Rde и ∆Se – относительный и абсолютный дефицит негравитационной емкостиRde и ∆Se – то же, гравитационной емкости
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 10 20 30 40 50V, mm
K x
Математический аппарат 11
Динамика гравитационного влагозапаса
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
++−=
+−=
GFSkdtdS
QSkdtdS
ggg
gcgcgcgc
3
Sg , Sgc – гравитационный и русловой влагозапасkg , kgc – коэффициенты истощения, соответственно,
гравитационного и руслового влагозапасаQgc – приток в русловую емкостьF – приток в гравитационную емкость (стокообразование)G – водообмен с глубокими подземными горизонтами, G∼0
В соответствии спринципами 3 и 5 приравниваем первые ивторые производные Sg , Sgcпри Q=Qcr
3gg
g
gcgcgc
SkQdtdS
SkQdtdS
−=−=
−=−=
'22
2
'2
2
3 gggg
gcgcgc
SSkdtSd
SkdtSd
−=
−=
2
3
27 cr
gcg Q
kk =
Математический аппарат 12
Динамика гравитационного влагозапаса
θθ +=⇒+−=−⇒−=⇒−== −−− tkStkSdtkdSSSkdtdS
gggggggggg 2
21 : 0F При 2*233
21
20
12−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
ggg StkS
23
20
12−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
gg
gc
ggc S
tkkk
S2
3
20
12−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=
ggg StkkQ
23
20
21
20
1212−−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+=−=
gg
gc
g
gggcggo S
tkkk
StkSSS - грунтовый влагозапас
gcgc k
QS =3/1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
gg k
QS
gcggo k
QkQS −⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
3/1
gc
ggc k
QkQQ
3/53/13−=
В фазовых координатах (при исключении t ) :
Математический аппарат 13
Динамика гравитационного влагозапаса
( ) tkgcgcgcgc
gc
gcgcgc
gc gceStkSdtkSdS
SkdtdS −=⇒+−=⇒−=⇒−== ϑϑ *ln : 0Qgc При
tkg
gc
ggc
gceSkk
S −=3
0
tk
gg
gc
eSS 30
−= tk
ggc
gtk
ggogc
gc
eSkk
eSS −−−=
30
30
tkgg
gceSkQ −=3
0
tk
ggctkggc
gc
gc eSk
eSkF 3030 3
−− −=
В фазовых координатах(при исключении t ) :
3/1
3 ⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=
g
gcc k
QkQF
⎪⎪⎩
⎪⎪⎨
⎧
<⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
≥
= −
−
cug
gg
cutk
gg
FSS
tkk
FSeSk
Q
gc
;12
;
23
20
30
Параметризация 14
Оценки параметров – kgc и QcrПоказатель истощения Критический расход
0
40
80
120
160
0 100 200 300 400Qi
Qi+1
Параметризация 15
Оценки параметров бассейновой емкости
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∆+∆=∆
31
31
1
gg
cr
bpeg k
QkQ
kSSS
Нижняя огибающая Верхняя огибающая3
13
1
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=∆=∆
gg
crg k
QkQSS
|OB| = TMC |BC| = FMC, |OC| = GCC |OD| = RCC. kbp = |OC|/|OB|
Применения имитационной модели 16
Оценки параметров и качества калибровки модели
Применения имитационной модели 17
Краткосрочные прогнозы стока дальневосточных рек
0
4
8
12
16
20
1 21 41 61 81 101
0
10
20
30
40
1 21 41 61 81 101
измеренный
прогноз 1 день
0
2
4
6
8
10
1 21 41 61 81 101
измеренныйпрогноз 1 день
Бассейновое контррегулирование стока 18
Контррегулирование экстремальных паводков
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
Time
Dis
char
ge (m
3 /s)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
rain
fall
rate
(mm
/h)
rainfall rates CN=50 CN=70 CN=100 Measured discharges
020406080
100120140160180200
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37
Q, мм/сут
Qкр
Qскр
t, сут
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00 3:00 6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00
Time
Dis
char
ge (m
3 /s)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
rain
fall
rate
(mm
/h)
rainfall rates CN=50 CN=70 CN=100 Measured discharges
Соотношение максимальных интенсивностей стока и осадков
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
2412631.5Шаг осреднения по времени, часы
Qmax/Pmax
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Второе паводковое событиеПаводок в целом
Бассейновое контррегулирование стока 19
Случаи контррегулирования в Приморье
Бассейновое контррегулирование стока 20
Случаи контррегулирования на Тайване
R2 = 0,6112
0
100
200
300
400
500
600
0,00 100,00 200,00 300,00 400,00 500,00 600,00Qmax, мм/сут
Hm ax, мм/сут
График связимаксимальных суточныхслоёв стока и осадков дляпаводков с пиковымирасходами более 50 мм/сут. Водосбор Heng-Chi, F= 52.88 км2
21
Спасибо за внимание!
22
ВыводыSgо – грунтовый влагозапас, расчетпоSgо = Sg - Sgc и Q=f(Sg);F – стокообразование по балансуSgоt+1= Sgо t- Qgc t+Ft;Se+ Su – негравитационный влагозапасс верховодкой по балансу (Se+Su)t+1= (Se+Su)t-Ft-Et+Pt, приначальномзначении FMC.
P – осадки;Q – сток;E – испарение среднее замежпаводковый период;Sgc – русловой влагозапас поQ=f(Sgc);Qgc – приток в русло по балансуSgc t+1= Sgc t-Qt+ Qgc t;