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