Моделирование трансформации руслового стока на основе сплайн-функций

• Автор: Шаталова, Ксения Юрьевна
• Шифр специальности: 25.00.27
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 74 с.

Глава 1. Методы расчета трансформации речного стока при
движении его по руслу
Глава 2. Интерполяция и аппроксимация наблюденных данных сплайнами и исследование многофакторных зависимостей
2.1. Интерполяция кубическим сплайном
2.2. Сглаживающий кубический сплайн
2.3. Метод остаточных отклонений
Глава 3. Применение сплайнов для формализации гидрологических процессов
3.1. Исследование процесса трансформации стока для участка
Средней Оби
3.2. Оценка русловых потерь в среднем течении р. Амударьи
3.3. Исследование движения воды по акватории Куйбышевского водохранилища
Глава 4. Учет трансформации речного стока в имитационной модели функционирования Нижневолжской водноресурсной системы
4.1. Имитационная модель функционирования ВРС
4.2. Построение модели трансформации гидрографа
4.3. Расчет трансформации оптимального гидрографа в характерных створах р. Волги ниже Волгоградского гидроузла
Заключение
Литература

Актуальность темы. Необходимость обоснованного решения проблем окружающей среды и рационального использования природных ресурсов в настоящее время общепризнаны. Одним из конструктивных подходов является метод математического моделирования. Математические модели достаточно широко применяются для решения задачи оптимального управления использованием природных вод. В последнее десятилетие особое внимание уделяется созданию имитационных систем как инструмента анализа, прогнозирования и управления водными ресурсами речных бассейнов. Одним из слабых мест разработанных семейств имитационных моделей функционирования водноресурсных систем (ВРС) является оценка и учет трансформации водной массы при ее движении.
Математические модели описания движения паводочных волн разрабатываются начиная с XIX в. ив настоящее время создана фундаментальная теория одномерного анализа распространения волны паводка. Предложено много различных моделей как полных гидродинамических, так и упрощенных, основанных на том или ином порядке совместного решения уравнения водного баланса участка (уравнения неразрывности) и упрощенного уравнения движения, записанного либо в форме кривой объемов, либо в виде зависимости расхода от среднего уровня и уклона на участке. При этом временные интервалы моделирования могут изменяться от нескольких часов до нескольких месяцев. Все эти модели могут давать неплохие результаты, но в большинстве своем имеют сложную структуру и требуют большого количества гидро-морфометрической информации, которая не всегда имеется в наличии.
Поэтому, когда расчет трансформации стока при движении его по
руслу является не самостоятельной задачей, а составной частью проблемы
управления водноресурсной системой речного бассейна, на первый план
выступают простота расчетов и минимизация необходимой для этого
информации. Таким образом, возникает необходимость разработки метода,
учитывающего основные особенности процесса, но более гибкого в

вычислительном и информационном отношении, и легко адаптирующегося в имитационных моделях функционирования ВРС.
Следовательно, в настоящее время одной из актуальных проблем в области управления водными ресурсами является разработка методики оценки и учета трансформации руслового стока для совершенствования имитационных моделей функционирования ВРС.
Цель и задачи исследования. Основной целью настоящей работы является анализ и оценка применения методов теории сплайнов в моделях трансформации речного стока с целью совершенствования имитационных моделей функционирования ВРС.
Для реализации поставленной цели потребовалось решение комплекса взаимосвязанных задач:
- исследование процесса движения водных масс в руслах рек со сложными гидролого-морфометрическими условиями;
- анализ и оценка изменения составляющих руслового водного баланса рек с развитыми поймами;
- оценка эффективности применения кубических сплайнов для расчета трансформации руслового стока рек, расположенных в разных физико-географический условиях с различной антропогенной нагрузкой;
- построение модели трансформации руслового стока и использование ее в имитационной модели функционирования ВРС.
Методика и объект исследований. Методологической основой работы является системный подход в исследовании пространственно-временных закономерностей гидрологических процессов. Для описания и оценки функционирования сложных гидрологических систем использовались теория стохастических процессов, водобалансовые методы, теория сплайн -функций и метод остаточных отклонений.
Объектами исследования являются:
- участок Средней Оби от н/б Новосибирской ГЭС до г. Колпашево -типичный представитель равнинной реки, с небольшими уклонами и
скоростью течения. Площадь водосбора 254 ООО км2, длина по руслу 540 км.;

схемы. Теоретическая схема модели состоит из блоков и структурных связей. Каждый блок — это подпроцесс, который по отношению к изучаемому может быть признан элементарным. Каждая структурная связь на модельном уровне символизирует передачу информации от одного блока к другому и на физическом уровне соответствует категориям «влияет на», «зависит от».
В данной работе речь идет об построении подмодели реализующей блок трансформации стока, который занимает важное место в структуре имитационной модели Нижневолжской ВРС.
4.2. Построение модели трансформации гидрографа.
Модель трансформации гидрографа построена для части Нижневолжской ВРС, где особенно ярко проявляются процессы трансформации речного стока — замыкающего участка бассейна р. Волги ниже Волгоградского гидроузла. На этом участке протяженностью более 450 км Волга протекает по засушливой зоне и не имеет притоков.
Это самостоятельная физико-географическая провинция, природные условия которой отличаются от окружающей местности.
Район расположен в пределах обширной песчаной и солончаковой полупустыни Прикаспийской низменности. Близость Каспийского моря не оказывает значительного влияния на резко континентальный климат окружающей полупустыни, не создаёт повышенной влажности воздуха. Климатические условия одни из самых неблагоприятных в европейской части России: незначительное количество атмосферных осадков, большие значения испарения, сухость ветра, частые и сильные иссушающие почву ветры восточного направления и резкая смена температур воздуха, температура воздуха и относительная влажность воздуха имеют резко выраженный годовой ход.