Математическое моделирование чрезвычайных экологических ситуаций, вызванных ледовыми заторами на реках

• Автор: Дербенев, Максим Валерьевич
• Шифр специальности: 05.23.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 109 с. : ил.

Глава I. Современное состояние исследований явления и прогнозирования катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми заторами на реках
1.1. Обзор исследований в области процессов заторообразовання и прогнозирования зимних наводнений

1.1.1. Факторы, влияющие на процесс заторообразовання

1.1.2. Места образования заторов

1.1.3. Классификация заторов

1.1.4. Механизмы образования затора

1.2. Методы прогнозирования заторных уровней

1.2.1. Определение максимальных заторных уровней воды при наличии

данных многолетних гидрометрических наблюдений

1.2.2. Определение максимальных уровней воды при заторах на зарегулированных участках реки

1.2.3. Определение максимальных уровней воды при формировании затора

при отсутствии данных многолетних гидрометрических наблюдений
1.2.4. Определение максимальных уровней воды при заторе на реке
заданной вероятности с помощью площади поперечного сечения русла
1.2.5. Определение наивысшего уровня воды с помощью кривых распределения
1.3. Прогнозирование заторных уровней при зимних наводнениях
1.4. Краткосрочные прогнозы появления льда на водных объектах
1.5. Математическое моделирование заторообразовання и распространения примеси
1.5.1. Математическое моделирование заторообразовання
1.5.2. Моделирование распространения загрязняющих веществ в открытых потоках и подо льдом
ГЛАВА II. Теоретическое обоснование комплексной математической модели по прогнозированию чрезвычайных экологических ситуаций
2.1. Постановка задачи
2.2. Модель заторообразовання

2.2.1. Основные уравнения
2.2.2.Начальные и граничные условия
2.2.3. Параметры задачи и алгоритм расчета
2.3. Моделирование распространения примеси при катастрофических
зимних наводнениях в условиях образования затора
Глава III. Результаты численных расчетов.
3.1. Результаты 21) моделирования формирования и развития заторов подныривания
3.1.1. Исходные параметры задачи
3.1.2. Результаты расчетов по модели
3.1.3. Анализ результатов и выводы
3.2.Результаты моделирования распространения примеси при катастрофических зимних наводнениях и в условиях образования ледовых заторов.
3.2.1. Исходные параметры задачи
3.2.2. Результаты моделирования
3.3. Интегральная характеристика для оценки факторов ЧЭС
Глава IV Натурные исследования взаимодействия волны попуска с ледяным покровом.
4.1. Район исследований и климатические условия
4.1.1. Гидрологические условия на р.Оредеж к моменту начала
натурных исследований
4.2.Методика проведения эксперимента, приборы и оборудование
4.2.1. Гидрологические условия во время проведения эксперимента
4.2.2. Основные результаты эксперимента
4.3. Обсуждение результатов и верификация математической модели
Заключение
Список литературы

Актуальность работы
Проблема прогнозирования и смягчения последствий катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми явлениями, все более остро встает в последнее время в связи с освоением северных территорий Российской Федерации, строительством новых гидротехнических сооружений и эксплуатацией различных промышленных предприятий, потенциально опасных как источники загрязнений и расположенных вблизи водотоков, подверженных наводнениям. Актуальность исследований ледовых явлений для России, где все реки и водохранилища в течение большой части года покрыты льдом, непосредственно связана с необходимостью прогнозирования прогнозирования ледовых заторов, в результате которых наблюдаются критические подъемы уровня воды за короткий промежуток времени, намного превышающие максимальные уровни весенних половодий, что служит одной из основных причин возникновения чрезвычайных ситуаций.
В последнее время участились случаи возникновения чрезвычайных ситуаций, связанных с наводнениями на крупных российских реках и прилегающих к ним территориях. Частично проблема связана с весенним половодьем, частично- с неграмотным регулированием водных потоков. Критический подъем паводковых вод приводит к затоплению обширных территорий, прилегающих к водным объектам. Тем самым, под угрозой затопления оказываются не только населенные пункты, но и объекты промышленного значения. А это, в свою очередь, предполагает возможность загрязнения водной среды различными химическими реагентами, что может привести к возникновению катастрофических ситуаций.
Цель работы состоит в построении численных моделей для расчета и прогноза формирования ледовых заторов, динамики вызванных ими изменений уровня и расходов воды, переноса примесей и разработке на основе этих моделей методов исследования и прогноза катастрофических ситуаций, вызванных ледовыми явлениями.
Основные задачи связаны с выявлением основных факторов формирования ледовых заторов на реках, алгоритмизации этого процесса с целью разработки математических моделей для его исследования и прогноза экологических последствий

2g „ 2gK2
С2 /21/3 ()
где X - коэффициент гидравлического трения; С - коэффициент Шези, п - зимний

обобщенный коэффициент групповой шероховатости в формуле Маннинга, U - вектор скорости в плане, Ux=u, U2=v.
Задача решается методом расщепления не только по координатам, но и по физическим процессам, так как конвективные и дисперсионные члены подключаются в процессе решения. Стоит отметить, что часто уравнения Сен-Венана решаются без учета конвективных и дисперсионных членов. Однако в процессе численных экспериментов бьшо показано, что они существенно влияют на результаты решения при сложной морфологии русла. Этот факт был отмечен в |19], где утверждается, что в двумерной сен-венановской модели течения жидкости с трением по дну, но без трения между струями в плане установившееся течение с замкнутыми линиями тока невозможно.
Ограничения на шаг по времени определяются главным образом нестационарностью, вызванной сложным рельефом дна, и не ослабевают при переходе к неявной схеме, используемой в процедуре прогонки.
При решении нестационарной задачи проверяются критерии разрушения ледяного покрова и начала подныривания льдин под неразрушенное ледяное поле, степень перекрывания русла льдом и вызванное им поднятие уровня воды, а также изменение скоростного режима. Таким образом осуществляется моделирование заторов подныривания, характерного для широких рек, с учетом поворота русла и изменения по длине русла формы поперечного сечения. Ширина русла может меняться по мере распространения волны паводка или заторного подъема уровня, имитируя разлив реки. Это достигается непостоянным как по пространству, так и во времени шагом сетки в поперечном направлении.