Upload
institute-of-water-problems-of-russian-academy-of-sciences
View
114
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ГИДРОЛОГИИ
Болгов Михаил Васильевич
Введение
1. Основные расчетные гидрологические характеристики
2. Методы инженерной гидрологии (расчетов стока)
3. Стохастические методы в гидрологии
4. Генетические методы в гидрологии
5. Подходы к определению расчетных характеристик стока
6. Система нормативных документов в области инженерной гидрологии
7. Инженерно-гидрологические изыскания
8. Водохозяйственные системы и водохозяйственные расчеты
9. Проблема наводнений
2
Содержание лекции
Введение
Основная задача инженерной гидрологии:
Обеспечение проектирования, строительства и эксплуатации сооружений, водохозяйственных и других объектов, использующих водные ресурсы или находящихся под их негативным воздействием, расчетными гидрологическим характеристиками.
3
Основные разделы инженерной гидрологии:
1. Инженерные (инженерно-гидрометеорологические) изыскания
2. Гидрологические расчеты
3. Гидрологические прогнозы
4. Водохозяйственные (водноэнергетические) расчеты и управление водохозяйственными системами
5. Техническое регулирование (технические регламенты, стандарты, своды правил и т.п.)
4
Введение
5
Методические задачи инженерной гидрологии:- Обработка метеорологических данных для
расчетов с использованием моделей стока (даунскейлинг)
- Цифровые модели рельефа для гидрологических задач
- Предельные максимумы и их учет в расчетах стока
- Обработка экстремумов стока- Смыв, эрозия (диффузный сток) и в целом
обеспечение водно-экологических задач.
Введение
Основные методы инженерной гидрологии:1. Метод водного баланса2. Метод географической интерполяции3. Метод суммарных коэффициентов4. Метод гидрологической аналогии5. Статистические методы6. Генетические методы
6
Введение
1. Основные расчетные гидрологические характеристики
- Расход воды/слой стока/модуль стока/объем стока за различные интервалы времени
- Уровень воды- Средние/максимальные/минимальные значения
заданной вероятности- Продолжительность гидрологического явления- Характеристика динамических воздействий
(волновые, ледовые)- Внутригодовое распределение стока
7
0100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
-180
-160
-140
-120
-100
-80
-60
-40
-20
0
6022
6023
6024
6026
6027
6030
5001
5002
5004 5008
5009
5012
5013
50165019
50205024
5026
5031
5033
58035805
расстояние от устья, км
dH
Изменение среднего максимального в году уровня воды за два периода наблюдений (до 1975 г. и после) по водомерным постам в основном
русле р. Амур
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
-0.05
0
0.05
0.1
0.15
60226023
60246026
6027
6030
5001
5002
5004
5008
5009
5012
5013
5016
5019
5020
50245026
5031
5033
5803
5805
расстояние от устья, км
dCv
Изменение коэффициента изменчивости максимальных в году уровней воды за два периода
наблюдений (до 1975 г. и после) по водомерным постам в основном русле р. Амур
8
Оценка расчетных характеристик уровенного режима реки Амур
2. Методы инженерной гидрологии (расчетов стока)
9
1. Метод водного баланса
2. Метод географической интерполяции
3. Метод суммарных коэффициентов
4. Метод гидрологической аналогии
3. Стохастические методы в гидрологии
Случайные величины в гидрологии
10
Д.Л. Соколовский Г.А. Алексеев С.Н. Крицкий М.Ф. Менкель
Заложены основы научно-технической дисциплины – теории использования водных и энергетических ресурсов речных систем.
Направления исследований:- Закономерности распределения и колебаний речного стока, лежащие в основе
предвидения его режима и, тем самым, в основе регулирования и рационального использования;
- Нормирование и расчет максимальных расходов воды, определяющих размеры отверстий водопропускных сооружений;
- Анализ, систематизация и сообщение требований к источникам воды отраслей народного хозяйства;
- Основные положения теории построения и работы водохозяйственных систем;- Метод Монте-Карло в применении к гидрологическим и водохозяйственным задачам;- Теория регулирования речного стока;- Режим замкнутых естественных водоемов, подобных Каспийскому и Аральскому морям;- Термический и ледовый режим рек, озер, водохранилищ и каналов;- Режим наносов и формирование речных русел;- Основные положения методики экономической оценки эффективности водохозяйственных
мероприятий;- Методика составления водохозяйственных балансов;- Методика составления генеральной схемы использования и охраны водных ресурсов
СССР.
(С.Н.Крицкий)11
12
bbb b
x
x
x
x
xb
bbxxp
1
0
1
000 )(
)(exp
)(
1
)(
)(),,,(
Трехпараметрическое степенное гамма-распределение
при х>0
Семейство кривых трехпараметрического гамма-распределения было предложено в 1946 г. С.Н.Крицким и М.Ф.Менкелем
x0 – среднее распределения, γ и b – параметры, каждому сочетанию которых соответствуют определенные значения коэффициента изменчивости Cv и коэффициента асимметрии Cs.
Emil Julius Gumbel (1891 – 1966)
(Гумбель Э. Статистика экстремальных значений. – М.: Мир, 1965)
13
Блохинов Е.Г.
14
Рождественский А.В.
15
Совместный анализ
222случгеогрполн
геогрполн
случ
- полная составляющая дисперсии
- географическая составляющая дисперсии
- случайная составляющая дисперсии
2случгеогр
Статистически однородные районы по характеру межгодовой изменчивости стока рек
17
18
3. Стохастические методы в гидрологии
На привале на берегу озера Красавица, май 1950 г. Слева направо – Андрей Николаевич Колмогоров,
Николай Александрович Сапогов, Олег Васильевич Сарманов
Случайные процессы в гидрологии
19
Стационарность
Марковость
Гауссовость/негауссовость
Случайный процесс )t(X обладает марковским свойством, если условное распределение величины )t(X k при известных значениях величин )t(X k 1 ,
)t(X k 2 , …, )t(X mk , где kkkmk ttt...t 12 , зависит только от значения случайной величины )t(X k 1 в предшествующий момент
времени.
Случайные процессы в гидрологии
Раткович Д.Я.
20
)1()( xxa x
xb2
)(
dt
dx)1( x
2
)(20
tnN
x
Диффузионные уравнения А.Н. Колмогорова
Коэффициент сноса Коэффициент диффузии
Стохастическое дифференциальное уравнение
Представление процесса в форме уравнений А.Н. Колмогорова и стохастических
дифференциальных уравнений для моделирования и вероятностных прогнозов
21
Сарманов И.О.
22
Проблема Каспийского моря
Зависимость испарения от уровня моря
24
Плотность распределения уровня моря для искусственного ряда длиной 10000 лет и гистограммы
распределения уровня для различных участков длиной 100 лет
25
Сравнение наблюденных величин с прогнозируемым средним значением1 - среднее; 2,3 – границы доверительного интервала (80%)
W a ter L ev e l (m . ab s.)
18 30 18 50 18 70 18 90 19 10 19 30 19 50 19 70
1
2
3
Years-3 0
-2 9
-2 8
-2 7
-2 6
-2 5
Ретропрогноз уровня Каспийского моря
26
4. Генетические методы в гидрологии
27
Анатолий Николаевич Бефани
Модели и задачи генетической гидрологии:
Гипотеза плоско-параллельного стеканияГипотеза стокоформирующих элементовГипотеза емкостных представлений
Виды стока:
склоновый сток- поверхностный
подвешенный- поверхностный подпертый- контактный (дренажный)- почвенныйрусловой сток- развитый сток- замедленный сток
5. Подходы к определению расчетных характеристик стока
В зависимости от достаточности исходной информации выделяются три группы методов:
1. При наличии исходных данных результатов гидрологического мониторинга
2. При недостаточности исходных данных
3. При отсутствии данных наблюдений
В зависимости от характера решаемой задачи:
4. Оценка достаточности водных ресурсов
5. Оценка негативного воздействия вод
6. Метод предельных максимумов
28
6. Система нормативных документов в области инженерной гидрологии
1. Закон о техническом регулировании
2. Технический регламент «Безопасность зданий и сооружений»
3. Технический регламент «Водоснабжение и канализация»
4. СП Определение основных расчетных гидрологических характеристик
5. СП Инженерные изыскания. Общие положения
6. ФЗ «О внесении изменений в Водный кодекс РФ и отдельные законодательные акты РФ (01-10-2013)
29
9. Проблема наводнений
Под наводнением понимается резкое повышение уровня воды в реке, водоеме, водохранилище, море (или его части), приводящее к затоплению значительных участков суши и наносящее материальный ущерб. Под ущербом могут пониматься как разрушение зданий и сооружений и человеческие жертвы, так и изменения (потеря) экосистем (водных и наземных пойменных) и разрушение форм рельефа.
30
Типы наводнений:
1. Половодье, вызванное таянием снежного покрова, накопившегося за зимний период.
2. Наводнения в результате выпадения интенсивных дождевых осадков (ливней) или прохождения тайфунов и муссонов, охватывающих значительные водосборные площади.
3. Образование селевых потоков.
4. Морские наводнения: цунами, вызываемые сейсмической активностью, подводным вулканизмом и оползнями, барические волны, связанные с развитием и быстрым смещением на отдельных участках акватории моря атмосферных циклонических образований, нагоны, образующиеся в результате продолжительного действия ветра.
5. Колебания уровня замкнутых (внутренних) морей и озер в результате накопления воды в водоеме в силу группирования многоводных лет в рядах речного притока (Каспийское море).
6. Наводнения в результате прорыва озер, образованных завалом речных долин, заторо- и зажорообразования, наледеобразования, и др. более редко встречающихся явлений.
31
9. Проблема наводнений
7. Наводнения техногенного характера: •прорыв напорного фронта сооружений и излив водохранилища в долину
реки;•полное открытие затворов водосбросных сооружений и сброс в нижний бьеф
гидроузла расхода воды, превышающего пропускную способность речного русла;
•нерациональное управление режимом водохранилища (или каскада) в периоды прохождения высоких половодий и паводков;
•стеснение речной долины защитными дамбами недостаточной высоты и надежности и их прорыв при прохождении по реке максимальных расходов воды, либо недостаточность систем водоотведения (водовыпусков, насосных станций и т.п.), приводящая к затоплению задамбовых пространств, что имело место на Кубани в 2002 г.
•повышенные попуски в нижние бьефы гидроузлов в периоды формирования или разрушения ледового покрова, вызывающие или усиливающие заторо- и зажорообразование.
32
9. Проблема наводнений