Лекция 8 Тема: Трансформация руслового стока

Курс «Моделирование гидрологических процессов»

Гидродинамические методы

Гидродинамические модели основаны на численном интегрировании уравнений неразрывности и движения

Обычно осуществляется решение одномерных уравнений, известных как уравнения Сен-Венана

Гидродинамический метод позволяет определить расходы и уровни воды при:

-движение волн вверх по течению под влиянием таких воздействий, как приливы или штормовые нагоны с моря

-подпоре воды за счет водохранилищ или притоков -движении паводковые волны в реке

-возникновении волн, возникающих при сбросах воды из водохранилища или при катастрофических прорывах плотины

Численные методы решения уравнений

Численные методы решения уравнений Сен – Венана можно разделить на две большие категории:

-метод характеристик, который в настоящее время широко не используется

-конечно-разностные методы в явной и неявной форме

Конечно-разностные методы преобразуют дифференциальные уравнения в частных производных в алгебраические уравнения

При расчетах численным методом нужно учитывать устойчивость решений и сходимость

Неявные методы конечных разностей являются более сложными, но и более эффективными по сравнению с явными методами

Неявные методы можно использовать для гораздо более продолжительных интервалов времени

Параметры

Наиболее сложной задачей расчета трансформации волны при прогнозе реальной ситуации является определение параметра шероховатости Sf, который характеризует сопротивление дна

Важно также правильно задать граничные и начальные условия при решении уравнений Сен-Венана

При оперативном использовании модели важно создать эффективную систему сбора и обработки данных

Следует большое внимание уделить точности определения морфометрических характеристик русла

Гидрологические методы

Расчет трансформации стока заключается в решении уравнений посредством использования связи между объемом воды и стоком

I и Q - расходы соответственно в верхнем и нижнем створах S - объем воды на участке

t - время

Решение уравнения включает аппроксимацию связи объем - сток

При достаточном количестве гидрометрических данных эту зависимость можно получить эмпирически

Простейшие методы расчета трансформации паводочной волны основаны на линейной зависимости между объемом воды и стоком, что дает возможность получить аналитические решения

Метод Маскингам

В практике прогнозирования используются следующие два метода:

1). метод Маскингам, основанный на зависимости

K и x определяются эмпирическим путем для изучаемого участка реки по данным о расходах воды

Они могут быть определены с помощью построения графика связи S как функции xI+ (1 – x)Q для различных значений x

Метод характерного участка (1)

2). Метод характерного участка основан на следующей линейной связи между расходом и объемом воды:

Q = K•S

K - постоянная величина объема

Приведенные уравнения применимы для транзитных участков характерной длины L, которая приближенно равна:

Z - уклон водной поверхности

∂Q/∂h - тангенс угла наклона кривой расходов

Если отрезок реки состоит из нескольких характерных участков, расчет трансформации выполняется последовательно от верхнего участка течения к нижнему

Метод характерного участка (2)

Для длинных участков рек в случае отсутствия данных, необходимых для выделения ряда характерных участков, можно использовать формулу

N - число характерных участков

K - время прохода одного характерного участка I0 - приток к первому характерному участку

K и N – параметры, которые определяются методом подбора или путем оптимизации

Трансформация паводковой волны водохранилищем

Водохранилище приводит к значительному уменьшению максимального расхода воды по сравнению с тем, который имел бы место, если бы водохранилища не было

При наличии водохранилища в русле реки происходит запаздывание пика вытекающего потока относительно пика притока

Водохранилище способствует снижению пика половодья