Способ измерения и долгосрочного прогноза деформаций речных русел при отсутствии русловых съемок

Способ измерения и долгосрочного прогноза деформаций речных русел при отсутствии русловых съемок

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к гидрологии рек и гидротехнике и может быть использовано при измерении и долгосрочном прогнозе вертикальных и плановых деформаций русел для определения параметров водохозяйственных сооружений, проектирования переходов дорог, высоковольтных линий и трубопроводов через реки при отсутствии русловых съемок, выполненных за разные годы.

Известна методика оценки вертикальных и плановых (горизонтальных) русловых деформаций при наличии данных наблюдений на основе сравнения карт или схем речного русла, составленных в разные годы, но с интервалом не менее 5 лет [ВСН 163-83. Ведомственные строительные нормы. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов). - М.: Госкомгидромет, 1985. - 142 с.; Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки. Стандарт организации. СТО ГУ ГГИ 08.29-2009. - СПб.: Нестор-История, 2009. - 184 с.].

Сущность метода - сравнение поперечных профилей, полученных в результате русловых съемок за разные годы (с интервалом не менее 5 лет).

Недостатки: высокая трудоемкость инженерно-гидрометеорологических изысканий и сложность или невозможность получения расчетных параметров в сжатые сроки, определяемые для изысканий и проектирования заказчиком; методики неприменимы при отсутствии надежных русловых съемок, выполненных в разные годы с интервалом не менее 5 лет; кроме того, даже при наличии разновременных русловых съемок процесс сравнения нескольких планов или схем сопряжен с дополнительными погрешностями и недостаточно четко формализован (нет регламентированной процедуры сравнения графических материалов).

Известна методика построения линии возможною вертикального размыва речного русла при отсутствии данных наблюдений при условии деформаций за счет переформирования русловых микроформ (гряд) [ВСН 163-83. Ведомственные строительные нормы. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов). - М.: Госкомгидромет, 1985. - 142 с.; Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки. Стандарт организации. СТО ГУ ГГИ 08.29-2009. - СПб.: Нестор-История. 2009. - 184 с.].

Сущность метода - оценка вертикальных деформаций но зависимостям между размерами русловых микроформ и глубиной потока.

Недостатки: пригодна при наличии грядового движения наносов и не позволяет получить достоверный прогноз вертикальных деформаций торфяного русла или русла с незначительным перемещением наносов в виде гряд.

Известна методика прогнозирования плановых (горизонтальных) деформаций речных русел при отсутствии данных наблюдений на основе данных о деформациях русла реки-аналога [ВСН 163-83. Ведомственные строительные нормы. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне переходов магистральных трубопроводов (нефгегазопроводов). - М.: Госкомгидромет, 1985, 142 с.; Учет руслового процесса на участках подводных переходов трубопроводов через реки. Стандарт организации. СТО ГУ ГГИ 08.29-2009. - СПб.: Нестор-История, 2009. - 184 с.].

Сущность метода - перенос данных, полученных по методу №1 для реки-аналога на исследуемую реку, с учетом погрешностей прогноза.

Недостатки: мало пригоден для использования на гидрологически плохо изученных территориях Сибири, где изученные реки-аналоги очень малочисленны и в основном представлены большими реками с площадью водосбора более 50000 км²; с учетом этого подобрать аналог для неизученной малой реки с площадью водосбора менее 2000 км² чрезвычайно трудно или невозможно; классификация рек согласно [ГОСТ 17.1.1.02-77. Охрана природы. Гидросфера. Классификация водных объектов. Дата введения 01.07.78 г. Переиздание, июнь 1992 г. - М.: Госстандарт России, 1992. - 20 с.].

Общие недостатки существующих методов, имеющие отношение к решаемой технической задаче следующие:

1) у большинства существующих способов необходима разновременная русловая съемка с интервалом не менее 5 лет на исследуемой реке или на реке-аналоге;

2) при проектировании объектов строительства на труднодоступных территориях таежной, лесотундровой и тундровой зон Сибири данные русловых съемок в разные годы (особенно с интервалом не менее 5 лет) обычно отсутствуют или не удовлетворяют требованиям по точности, установленным в [ВСН 163-83. Ведомственные строительные нормы. Учет деформаций речных русел и берегов водоемов в зоне переходов магистральных трубопроводов (нефтегазопроводов). М.: Госкомгидромет, 1985. - 142 с.];

3) трудоемкость инженерно-гидрометеорологических изысканий и сложность или невозможность получения расчетных параметров в сжатые сроки, определяемые для изысканий и проектирования заказчиком;

4) высокая степень неопределенности при измерении или расчете параметров. используемых в косвенных способах оценки и прогноза плановых (горизонтальных) деформаций речных русел;

5) существенные отклонения расчетных значений русловых деформаций от измеренных значений, если способ применяется в другом районе, при условиях, отличающихся от тех, которые учитывались при разработке того или иного способа (например, при наличии торфяных берегов).

Задачей изобретения является: разработка способа измерения и прогноза вертикальных и плановых (горизонтальных) деформаций речных русел при отсутствии разновременных русловых съемок на основе материалов режимных гидрологических наблюдений за расходами и уровнями воды.

Описание сущности изобретения сводится к следующему:

Способ измерения плановых и вертикальных русловых деформаций основан на определении параметров потока - ширины русла и максимальной глубины, при которых наблюдаются наибольшие деформации русла. Изменение речного русла рассматривается как стохастический процесс, а сама оценка русловых деформаций является статистической оценкой.

Для измерения и долгосрочного прогноза деформаций речных русел используются данные стандартных гидрометрических измерений. Гидрометрический створ обычно устанавливается на наименее деформируемом и наиболее прямолинейном участке реки. С учетом этого результирующие значения русловой деформации могут рассматриваться как максимальные для наиболее устойчивых участков, что вполне соответствует задачам проектирования, ориентированным на поиск предельных значений гидрологических характеристик и строительство водохозяйственных сооружений, проектирования переходов дорог, высоковольтных линий и трубопроводов через реки именно в наименее деформируемых участках.

Сущность изобретения заключается в определении изменений гидравлических параметров реки при руслоформирующем расходе воды по алгоритму:

1) определяют, есть ли на исследуемой реке режимные гидрологические наблюдения, включающие измерение уровней воды, глубины, ширины потока;

2) при наличии данных об уровнях воды, глубине, ширине потока произвольно назначают перечень уровней воды (в балтийской системе высот) в диапазоне от минимального наблюдаемого (или расчетного) до соответствующего максимального через фиксированный шаг из расчета, чтобы было не меньше 5-6 значений.

В том случае, когда в данных отсутствует необходимое значение уровня воды, оно находится интерполяцией между ближайшими датами;

3) для каждого уровня воды составляется выборка из измеренных или полученных интерполяцией значений максимальной глубины h_max (при оценке вертикальных деформаций) и ширины реки В (при оценке плановых или горизонтальных деформаций). В результирующей выборке должно быть четное количество значений, соответствующих как подъему, так и спаду воды в реке; далее для каждого уровня воды вычисляются амплитуды изменений соответствующего параметра D(h_max) и D(B);

4) максимальные значения амплитуды D_max(h_max) и D_max(B) принимаются в качестве характеристик вертикальных и плановых (горизонтальных) русловых деформаций соответственно;

5) оценка предельно возможного вертикального размыва русла Z_lim, м, и прогноз максимально возможных плановых русловых деформаций ΔB(T), м/период, проводится по формулам:

Z_lim=Z_min-D_max(h_max)-δ_h,

ΔВ(T)=T·(D_mах(B)+δ_B),

где Z_min - минимальная отметка речного дна в расчетном створе, м; T - расчетный период в годах; δ_B и δ_h - погрешности измерения ширины и глубины потока, м;

6) при отсутствии данных гидрологических наблюдений, в случае гидрологически неизученных рек, для исследуемой реки выбирают реку-аналог, на которой проводятся режимные гидрологические наблюдения, включающие измерение уровней воды, глубины, ширины потока и скорости течения.

Подбор реки-аналога производится при условии аналогичного гидрологического района (по классификации П.С.Кузина), аналогичного типа руслового процесса, в целом условия подбора реки-аналога должны соответствовать [СП 33-101-2003. Свод правил по проектированию и строительству. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. - М.: Госстрой России, 2004. - 72 с.].

Оценка предельно возможного вертикального размыва русла Z_lim, м, и прогноз максимально возможных плановых русловых деформаций ΔB(T), м/период, проводится по приведенным в пункте 5 формулам, но в качестве максимальных значений амплитуд D_max(h_max) и D_max(B) принимаются значения, вычисленные для реки-аналога;

7) при отсутствии данных гидрологических наблюдений, в случае невозможности подобрать реку-аналог расчет D_max(h_max) и D_max(B) проводят по региональным эмпирическим зависимостям от разницы максимальной и средней глубин потока.

Пример осуществления изобретения

Определить наличие материалов режимных гидрологических наблюдений за расходами и уровнями воды для исследуемой реки.

I. При наличии материалов режимных гидрологических наблюдений за расходами и уровнями воды для исследуемой реки:

1) составить выборку из многолетних данных Российской гидрометеослужбы (Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды) об измеренных уровнях воды, ширине русла, максимальной глубине потока; минимальный размер выборки должен включать две одноименные фазы водного режима (половодье), достоверность прогноза возрастает при увеличении выборки до 5 лет. Пример исходных данных о ширине реки и уровнях воды приведен в табл.1;

2) составить список значений уровней воды Z₁, Z₂, … Z_n с заданным фиксированным шагом, для которых будут определяться значения ширины русла и максимальной глубины потока; рекомендуется не меньше 5-6 значений в диапазоне от минимального уровня воды обеспеченностью 95% (вероятностью превышения) до максимального уровня воды обеспеченностью 5%. Пример расчета фиксированных уровней воды приведен в табл.1, исходные данные и расчетные уровни воды изображены на фиг.1;

3) для каждого фиксированного уровня Z₁, Z₂, … Z_n непосредственно по данным наблюдений или интерполяцией между ближайшими наблюдениями определяются значения ширины русла и максимальной глубины. Пример расчета для получения оценки плановых (горизонтальных) русловых деформаций приведен в табл.2, пояснение к интерполяции данных - на фиг.2;

4) для каждого фиксированного уровня Z₁, Z₂, … Z_n составляется выборка из значений, характерных или наблюдаемых в период открытого русла (при отсутствии ледяного покрова);

5) для каждого фиксированного уровня Z₁, Z₂, … Z_n по полученной выборке рассчитываются минимальное (min) и максимальное (max) значения и амплитуда D=max-min (табл.2);

6) из полученных значений D₁, D₂, … D_n выбирается максимальное значение D_max, соответствующее руслоформирующему расходу воды; таким образом, максимальное значение амплитуды для всего изученного диапазона изменений уровня воды и является характеристикой вертикальной D_max(h_max) (в случае максимальной глубины потока h_max) или плановой D_max(B) (для ширины водотока В) деформации русла; в примере, приведенном в табл.2 D_max(В)=16 м;

7) оценка предельно возможного вертикального размыва русла Z_lim и прогноз максимально возможных плановых русловых деформаций ΔB(T) выполняются по формулам:

Z_lim=Z_min-D_max(h_max)-δ_h,

ΔB(T)=T·(D_max(B)+δ_B),

где Т - расчетный период в годах; δ_B и δ_h - погрешности измерения ширины и глубины потока, м.

II. При отсутствии материалов режимных гидрологических наблюдений за расходами и уровнями воды, в случае гидрологически неизученных рек, для исследуемой реки определить возможность выбора реки-аналога.

II.1. При наличии реки-аналога выполнить следующие действия:

8) для реки-аналога выполнить пункты 1-6;

9) оценка предельно возможного вертикального размыва русла Z_lim и прогноз максимально возможных плановых русловых деформаций ΔB(T) гидрологически неизученных рек выполняются по формулам пункта 7, причем минимальная отметка речного дна в расчетном створе (Z_min) принимается для исследуемой реки, а в качестве максимальных значений амплитуд D_max(h_max) и D_max(B) принимаются значения, вычисленные для реки-аналога.

II.2. В случае отсутствия реки-аналога значения D_max(h_max) и D_max(B) рассчитываются по эмпирическим региональным зависимостям вида:

,

,

где h_max(Q_max,5%) и - максимальная и средняя глубины, соответствующие расходу воды обеспеченностью 5%; и - средние глубины, соответствующие расходу воды обеспеченностью 5% и норме стока; k₁, k₂, k₃, k₄ - эмпирические региональные коэффициенты.

Далее расчет ведется по формулам пункта 7, причем минимальная отметка речного дна в расчетном створе (Z_min) принимается для исследуемой реки, а в качестве максимальных значений амплитуд D_max(h_max) и D_max(B) принимаются значения, вычисленные по эмпирическим региональным зависимостям.

Технический результат: измерение и прогноз вертикальных и плановых (горизонтальных) деформаций речных русел равнинных рек в таежной, лесотундровой и тундровой зоне Сибири при отсутствии русловых съемок, выполненных в разные годы; полученные значения используются для обоснования параметров водохозяйственных сооружений (берегоукрепительных сооружений), переходов через водотоки авто- и железных дорог, линий электропередач, трубопроводов. Запатентованные формулы:

Z_lim=Z_min-D_max(h_max)-δ_h,

ΔB(T)=T·(D_max(B)+δ_B),

где Z_lim - уровень предельно возможного вертикального размыва русла, м; Z_min - минимальная отметка речного дна в расчетном створе, м; ΔВ(Т) - прогноз плановой деформации русла в расчетном створе на период Т, м/период; Т - расчетный период в годах; δ_B и δ_h - погрешности измерения ширины и глубины потока, м. Значения D_max(h_max) и D_max(B) либо принимаются по данным анализа данных об измеренных расходах воды реки-аналога после предварительного обоснования ее выбора, либо рассчитываются по эмпирическим зависимостям с учетом данных о максимальных и средних глубинах.

Новизна технического решения заключается в том, что впервые для определения русловых деформаций используются только данные стандартных гидрометрических измерений - определение параметров потока - ширины русла (при оценке плановых (горизонтальных) деформаций) и максимальной глубины (при оценке вертикальных деформаций), при которых наблюдаются наибольшие деформации русла.

Таблица 1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И ДОЛГОСРОЧНОГО ПРОГНОЗА ДЕФОРМАЦИИ РЕЧНЫХ РУСЕЛ ПРИ ОТСУТСТВИИ РУСЛОВЫХ СЪЕМОК
Дата	Ширина русла, м	Уровень воды, м	Ледостав
20.02.75	50	59	да
23.03.75	49	58.8	да
05.05.75	80	66	нет
08.07.75	60	63.1	нет
15.10,75	61	59	нет
03.02.76	49	58.9	да
05.04.76	48.5	58.9	да
25.04,76	50	63	нет
20.05.76	79	66	нет
06.07.76	71	64	нет
15.08.76	63	62	нет
10.10.76	52	59	нет
15.01.77	48	58.8	да
07.03.77	47	58.6	да
16.05.77	71.5	64.2	нет
23.06.77	62	62.1	нет
17.08.77	61	62.3	нет
21.09.77	51	69.5	нет
Уровень мин.	-	58.6	-
Уровень макс.	-	66	-
Принятый мин. уровень (с округлением)	-	59	-
Принятый макс. уровень (с округлением)	-	66	-
Кол-во уровней	-	6	-
Шаг	-	1.4	-
Примечание. Расчетные фиксированные уровни воды - 59,0 м; 60,4 м; 61,8 м; 63,2 м; 64,6 м; 66 м.

1. Способ измерения и долгосрочного прогноза деформаций речных русел при отсутствии русловых съемок, включающий выбор реки-аналога, на которой проводят режимные гидрологические наблюдения, произвольно назначают перечень уровней воды в диапазоне от минимального наблюдаемого или расчетного до соответствующего максимального через фиксированный шаг расчета, чтобы было не меньше 5-6 значений, для каждого уровня воды составляют выборку из измеренных или полученных интерполяцией значений максимальной глубины и ширины реки, далее для каждого уровня воды вычисляют амплитуды изменений соответствующего параметра, максимальные значения амплитуды принимают в качестве характеристик вертикальных и горизонтальных русловых деформаций соответственно, оценку предельно возможного вертикального размыва русла Z_lim, м, и прогноз максимально возможных плановых русловых деформаций ΔВ(Т), м/период, на гидрологически неизученных реках проводят по формулам:Z_lim=Z_min-D_max(h_max)-δ_h,ΔB(T)=T·(D_max(B)+δ_B),где Z_min - минимальная отметка речного дна в расчетном створе, м;D_max(h_max) - максимальное значение амплитуды изменения максимальной глубины потока;D_max(B) - максимальное значение амплитуды изменения ширины потока;Т - расчетный период в годах;δ_B и δ_h - погрешности измерения ширины и глубины потока, м.

2. Способ измерения и долгосрочности прогноза деформаций речных русел при отсутствии русловых съемок в случае отсутствия реки-аналога, включающий расчет максимального значения амплитуды вертикальных и горизонтальных русловых деформаций по региональным эмпирическим зависимостям от разницы максимальной и средней глубины потока.