Моделирование катастрофических паводков на реках Черноморского побережья Кавказа
|
Введение 3
Глава 1. Гидролого-гидрографическое описание объектов исследования, включая физико-географические аспекты 6
Глава 2. Гидрологическая модель «Гидрограф» 10
2.1. Общие сведения 10
2.2. Репрезентативные точки и стокоформирующие комплексы 11
2.3. Параметры репрезентативных точек 13
3.3. Параметры стокоформирующих комплексов 14
Глава 3. Расчет стока для изученной реки Туапсе 17
3.1. Параметризация модели «Гидрограф» для бассейна р. Туапсе 17
3.2. Результаты моделирования с суточным расчетным шагом 18
3.3. Моделирование выдающихся паводков на р. Туапсе 20
Глава 4. Расчет стока для неизученной реки Цемес 26
4.1. Параметризация модели «Гидрограф» и верификация параметров для бассейна
р. Цемес 26
4.2. Моделирование стока в бассейне р. Цемес с суточным расчетным шагом 30
4.3. Моделирование выдающихся паводков на р. Цемес 31
4.4. Расчет максимальных расходов воды дождевых паводков р. Цемес
стандартными методами и их сравнение с величинами, полученными по модели «Гидрограф» 34
Заключение 36
Основные публикации Колупаевой А.Д. по теме исследования 38
Список использованной литературы 41
Глава 1. Гидролого-гидрографическое описание объектов исследования, включая физико-географические аспекты 6
Глава 2. Гидрологическая модель «Гидрограф» 10
2.1. Общие сведения 10
2.2. Репрезентативные точки и стокоформирующие комплексы 11
2.3. Параметры репрезентативных точек 13
3.3. Параметры стокоформирующих комплексов 14
Глава 3. Расчет стока для изученной реки Туапсе 17
3.1. Параметризация модели «Гидрограф» для бассейна р. Туапсе 17
3.2. Результаты моделирования с суточным расчетным шагом 18
3.3. Моделирование выдающихся паводков на р. Туапсе 20
Глава 4. Расчет стока для неизученной реки Цемес 26
4.1. Параметризация модели «Гидрограф» и верификация параметров для бассейна
р. Цемес 26
4.2. Моделирование стока в бассейне р. Цемес с суточным расчетным шагом 30
4.3. Моделирование выдающихся паводков на р. Цемес 31
4.4. Расчет максимальных расходов воды дождевых паводков р. Цемес
стандартными методами и их сравнение с величинами, полученными по модели «Гидрограф» 34
Заключение 36
Основные публикации Колупаевой А.Д. по теме исследования 38
Список использованной литературы 41
Ежегодно на территории Российской Федерации наблюдаются гидрометеорологические опасные явления (ГМОЯ), наиболее разрушительными из которых являются опасные гидрологические явления (ГОЯ). Согласно ГОСТ Р 22.0.03-97 под ГОЯ подразумевается событие гидрологического происхождения или результат гидрологических процессов, возникающих под действием различных природных или гидродинамических факторов или их сочетаний, оказывающих поражающее воздействие на людей, сельскохозяйственных животных и растения, объекты экономики и окружающую природную среду. К ГОЯ относятся затопления и подтопления территорий, сход селей, лавин и др. Как правило, наиболее частым ГОЯ являются наводнения различного генезиса.
Одним из регионов, в большей степени подверженному влиянию наводнений, вызванных, в первую очередь, прохождением катастрофических паводков, сформированных выпадением ливневых осадков является Краснодарский край и прилегающие территории, в частности Черноморское побережье. За последние 20 лет на данной территории произошли 3 катастрофических наводнения (события 2002, 2010, 2012 гг.), сопровождающиеся человеческими жертвами и большим материальным ущербом, а также ежегодно происходят подтопления небольших масштабов. По данным СМИ1 в 2002 году в результате обрушения смерча погибли 62 человека, подтоплены 15 населенных пунктов, в том числе Крымск, Абрау-Дюрсо, Туапсе, Широкая Балка, Новороссийск. В 2010 году в результате наводнения, вызванного мощными дождями, были подтоплены 30 населенных пунктов в Туапсинском районе и в районе Сочи, погибли 17 человек. В 2012 году произошло самое разрушительное наводнение за всю историю, вызванное сильнейшими ливнями, пострадали 10 населенных пунктов, в том числе города Новороссийск, Геленджик, Крымск, поселки Нижнебаканская, Дивноморское, Неберджаевская и Кабардинка. В 2013 году в результате обильных осадков в районе города Сочи были подтоплены 59 частных домовладений, материальный ущерб составил порядка 10 млн рублей.
Все наводнения были вызваны экстремальными осадками, величина, интенсивность и частота которых не наблюдалась ранее. В работе (Meredith и др., 2015) на основе региональных моделей климата выполнили расчеты характеристик ливневых осадков, вызвавших катастрофическое наводнение в Крымске (2012 г.). Авторы сделали вывод о том, что основным фактором выпадения пятимесячной нормы осадков стала температура воды поверхности Черного моря, повысившаяся за последние 30 лет на два градуса. Более того, численные эксперименты показали, что эффект повышения температуры моря нелинеен и «осадки резко увеличиваются после определенного порога, который как раз был достигнут в начале XXI века»2.
Природные факторы формирования стока совместно с ливневым характером осадков обусловливают малое время добегания волн паводков, быстрые подъем и спад уровня воды и многократное увеличение расходов воды (Алексеевский и др., 2016). Усугубляет ситуацию и хозяйственная деятельность человека, приуроченная непосредственно к руслу горных рек. Проблемой региона также является оценка максимальных характеристик стока в задачах проектирования и строительства. Гидрологическая сеть региона значительно сократилась в последние десятилетия, часто при прохождении паводков гидрологические посты разрушаются, а оцененные величины расходов по меткам высоких вод имеют неоднозначный характер из-за заторных явлений, вызванных корчеходом. Множество работ посвящено в основном описанию гидрометеорологической ситуации в данном регионе и анализу уже произошедших ГОЯ (Алексеевский и др., 2016; Асарин А.Е., Жиркевич А. Н., 2012; Базелюк А.А., Лурье П. М., 2014; Колтерман К. П. и др., 2012). Стоит отметить, что разработанные в настоящее время методы оценки максимальных характеристик основаны на статистической обработке гидрометеорологической информации, однако из-за отсутствия в историческом промежутке времени ливней высокой интенсивности при использовании этих методов возможна недооценка рисков опасных гидрологических явлений. Поэтому разработка новых методов оценки максимальных гидрологических характеристик стока в паводкоопасных регионах страны является приоритетной задачей.
Целью данной работы является оценка возможности применения метода детерминированного гидрологического моделирования для расчета максимальных характеристик стока малых рек Черноморского побережья Кавказа как при наличии наблюдений за стоком для уточнения и корректировки результатов, так и при отсутствии наблюдений за стоком для возможной минимизации последствий, связанных с ГОЯ.
В рамках работы были поставлены и решены следующие задачи:
• сбор, анализ и обобщение суточных гидрометеорологических данных;
• сбор, анализ и обобщение часовых гидрометеорологических данных для периодов прохождения максимальных расходов воды для исследуемых водосборов;
• параметризация гидрологической модели «Гидрограф» для изученного бассейна р. Туапсе (определение основных свойств почвенно-растительного покрова и подстилающей поверхности, систематизация данных для задания почвенных колонок в оболочку модели);
• расчеты стока р. Туапсе на суточном интервале за продолжительный период (48 лет) и оценка эффективности моделирования;
• расчеты срочных (1-часовых) расходов катастрофических паводков 1991, 2005, 2010 гг. в бассейне р. Туапсе с использованием детальных данных об осадках;
• сравнение полученных результатов с «наблюденными» величинами;
• параметризация гидрологической модели «Гидрограф» для неизученного бассейна р. Цемес;
• верификация разработанного набора параметров модели на изученных водосборах рек Дюрсо, Адерба и Вулан;
• детерминированное моделирование процессов формирования стока неизученного водосбора р. Цемес;
• расчеты срочных (1-часовых) расходов катастрофических паводков 1988, 2002 и 2012 гг. в бассейне р. Цемес с использованием данных плювиографов;
• расчет максимальных расходов воды дождевых паводков обеспеченностью P = 1; 2; 5; 10% согласно рекомендациям СП-33-101-2003 (2004) для р. Цемес и сравнение их со значениями, полученными по модели «Гидрограф».
Актуальность настоящей работы состоит в усовершенствовании методов расчета максимальных характеристик стока в паводкоопасных регионах страны в условиях нестационарности окружающей среды.
Одним из регионов, в большей степени подверженному влиянию наводнений, вызванных, в первую очередь, прохождением катастрофических паводков, сформированных выпадением ливневых осадков является Краснодарский край и прилегающие территории, в частности Черноморское побережье. За последние 20 лет на данной территории произошли 3 катастрофических наводнения (события 2002, 2010, 2012 гг.), сопровождающиеся человеческими жертвами и большим материальным ущербом, а также ежегодно происходят подтопления небольших масштабов. По данным СМИ1 в 2002 году в результате обрушения смерча погибли 62 человека, подтоплены 15 населенных пунктов, в том числе Крымск, Абрау-Дюрсо, Туапсе, Широкая Балка, Новороссийск. В 2010 году в результате наводнения, вызванного мощными дождями, были подтоплены 30 населенных пунктов в Туапсинском районе и в районе Сочи, погибли 17 человек. В 2012 году произошло самое разрушительное наводнение за всю историю, вызванное сильнейшими ливнями, пострадали 10 населенных пунктов, в том числе города Новороссийск, Геленджик, Крымск, поселки Нижнебаканская, Дивноморское, Неберджаевская и Кабардинка. В 2013 году в результате обильных осадков в районе города Сочи были подтоплены 59 частных домовладений, материальный ущерб составил порядка 10 млн рублей.
Все наводнения были вызваны экстремальными осадками, величина, интенсивность и частота которых не наблюдалась ранее. В работе (Meredith и др., 2015) на основе региональных моделей климата выполнили расчеты характеристик ливневых осадков, вызвавших катастрофическое наводнение в Крымске (2012 г.). Авторы сделали вывод о том, что основным фактором выпадения пятимесячной нормы осадков стала температура воды поверхности Черного моря, повысившаяся за последние 30 лет на два градуса. Более того, численные эксперименты показали, что эффект повышения температуры моря нелинеен и «осадки резко увеличиваются после определенного порога, который как раз был достигнут в начале XXI века»2.
Природные факторы формирования стока совместно с ливневым характером осадков обусловливают малое время добегания волн паводков, быстрые подъем и спад уровня воды и многократное увеличение расходов воды (Алексеевский и др., 2016). Усугубляет ситуацию и хозяйственная деятельность человека, приуроченная непосредственно к руслу горных рек. Проблемой региона также является оценка максимальных характеристик стока в задачах проектирования и строительства. Гидрологическая сеть региона значительно сократилась в последние десятилетия, часто при прохождении паводков гидрологические посты разрушаются, а оцененные величины расходов по меткам высоких вод имеют неоднозначный характер из-за заторных явлений, вызванных корчеходом. Множество работ посвящено в основном описанию гидрометеорологической ситуации в данном регионе и анализу уже произошедших ГОЯ (Алексеевский и др., 2016; Асарин А.Е., Жиркевич А. Н., 2012; Базелюк А.А., Лурье П. М., 2014; Колтерман К. П. и др., 2012). Стоит отметить, что разработанные в настоящее время методы оценки максимальных характеристик основаны на статистической обработке гидрометеорологической информации, однако из-за отсутствия в историческом промежутке времени ливней высокой интенсивности при использовании этих методов возможна недооценка рисков опасных гидрологических явлений. Поэтому разработка новых методов оценки максимальных гидрологических характеристик стока в паводкоопасных регионах страны является приоритетной задачей.
Целью данной работы является оценка возможности применения метода детерминированного гидрологического моделирования для расчета максимальных характеристик стока малых рек Черноморского побережья Кавказа как при наличии наблюдений за стоком для уточнения и корректировки результатов, так и при отсутствии наблюдений за стоком для возможной минимизации последствий, связанных с ГОЯ.
В рамках работы были поставлены и решены следующие задачи:
• сбор, анализ и обобщение суточных гидрометеорологических данных;
• сбор, анализ и обобщение часовых гидрометеорологических данных для периодов прохождения максимальных расходов воды для исследуемых водосборов;
• параметризация гидрологической модели «Гидрограф» для изученного бассейна р. Туапсе (определение основных свойств почвенно-растительного покрова и подстилающей поверхности, систематизация данных для задания почвенных колонок в оболочку модели);
• расчеты стока р. Туапсе на суточном интервале за продолжительный период (48 лет) и оценка эффективности моделирования;
• расчеты срочных (1-часовых) расходов катастрофических паводков 1991, 2005, 2010 гг. в бассейне р. Туапсе с использованием детальных данных об осадках;
• сравнение полученных результатов с «наблюденными» величинами;
• параметризация гидрологической модели «Гидрограф» для неизученного бассейна р. Цемес;
• верификация разработанного набора параметров модели на изученных водосборах рек Дюрсо, Адерба и Вулан;
• детерминированное моделирование процессов формирования стока неизученного водосбора р. Цемес;
• расчеты срочных (1-часовых) расходов катастрофических паводков 1988, 2002 и 2012 гг. в бассейне р. Цемес с использованием данных плювиографов;
• расчет максимальных расходов воды дождевых паводков обеспеченностью P = 1; 2; 5; 10% согласно рекомендациям СП-33-101-2003 (2004) для р. Цемес и сравнение их со значениями, полученными по модели «Гидрограф».
Актуальность настоящей работы состоит в усовершенствовании методов расчета максимальных характеристик стока в паводкоопасных регионах страны в условиях нестационарности окружающей среды.
Для оценки потенциальной возможности применения гидрологической модели «Гидрограф» для расчета срочных максимальных расходов воды как в изученных, так и в неизученных бассейнах малых рек Черноморского побережья Кавказа были решены следующие задачи:
1. Выполнена схематизация водосборов рр. Туапсе, Вулан, Дюрсо, Адерба и Цемес и выделены стокоформирующие комплекса, систематизированы параметры гидрологической модели «Гидрограф» для основных ландшафтов.
2. Проведено моделирование процессов формирования стока в бассейне р. Туапсе с суточным шагом за период с 1966 по 2013 гг. Получены суточные гидрографы стока и распределение элементов водного баланса. Медианное значение критерия эффективности Нэша-Сатклиффа при моделировании с расчетным шагом сутки составило 0,60 для периода продолжительностью 32 года, что позволило оценить полученные результаты как удовлетворительные. Критерии результатов расчета в большей степени зависят от входной информации об осадках.
3. Рассчитаны 1-часовые расходы воды в бассейне р. Туапсе для трех катастрофических
паводков (1991, 2005, 2010 гг.) с использование данных плювиографов, двух
метеорологических станций в пределах рассматриваемого бассейна.
4. Проведены численные эксперименты, в которых использовались дополнительные сведения об осадках, вызвавших катастрофический паводок 1 августа 1991 г. Так, сумма суточных осадков на метеостанции «Горный» отличается в два раза (или на 150 мм) согласно разным источникам.
5. Оценены величины срочных и суточных расходов для паводка в июне 2005 г., когда наблюдения за стоком на р. Туапсе не проводились. Результаты расчета элементов водного баланса показали, что возможны несоответствия в опубликованных данных срочных и суточных расходов, а также всего периода наблюдений с 15 октября по 31 декабря 2010 г. Невязка водного баланса за период 1.10-31.12.2010 г. составила около 1000 мм.
6. Проведено моделирование процессов формирования стока в бассейне р. Цемес с суточным шагом за период с 1977 по 2013 гг.
7. Рассчитаны 1-часовые расходы воды в бассейне р. Цемес для трех катастрофических паводков (1988, 2002, 2012 гг.) на основе подробных данных о ходе ливневых осадков. Рассчитанные максимальные расходы могут быть приняты за срочную величину расхода и составили 688, 284 и 361 м3/с соответственно. Рассчитан потенциально возможный суточный расход 1% обеспеченности для р. Цемес.
На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:
1) Результаты моделирования катастрофических паводков на реке Цемес 1988 и 2012 гг. указывают на необходимость учета состояния водосбора, предшествующего экстремальному гидрологическому событию - именно уникальное сочетание стокоформирующих и метеорологических факторов определяют его величину.
2) Результаты исследования на примере р. Туапсе опровергают мнение о неспособности распределенных детерминированных гидрологических моделей оценивать срочные расходы воды из-за слишком большого временного шага и показывают, что гидрологическая модель «Гидрограф» при наличии метеорологических данных детального разрешения (например, данных плювиографов) может использоваться в задаче оценки срочных расходов воды на малых водосборах в случае отсутствия наблюдений (2005 г.) или уточнения их величин, когда опубликованные данные о расходах могут носить неопределенный характер (случай 2010 г.). Применение методов моделирования позволяет также проводить численные эксперименты с входными метеорологическими данными в условиях их недостаточности (пример 1991 г.).
Практическая значимость работы заключается в создании методики расчета экстремальных характеристик водного режима для исследуемого региона, в том числе и для неизученных бассейнов с учетом основных процессов формирования стока. На настоящий момент ограниченность данных об осадках не позволяет использовать методы моделирования для массовых расчетов рядов срочных расходов воды, однако имеющиеся в наличие данные плювиографов чрезвычайно полезны для анализа факторов формирования катастрофических паводков и совершенствования методов математического моделирования.
1. Выполнена схематизация водосборов рр. Туапсе, Вулан, Дюрсо, Адерба и Цемес и выделены стокоформирующие комплекса, систематизированы параметры гидрологической модели «Гидрограф» для основных ландшафтов.
2. Проведено моделирование процессов формирования стока в бассейне р. Туапсе с суточным шагом за период с 1966 по 2013 гг. Получены суточные гидрографы стока и распределение элементов водного баланса. Медианное значение критерия эффективности Нэша-Сатклиффа при моделировании с расчетным шагом сутки составило 0,60 для периода продолжительностью 32 года, что позволило оценить полученные результаты как удовлетворительные. Критерии результатов расчета в большей степени зависят от входной информации об осадках.
3. Рассчитаны 1-часовые расходы воды в бассейне р. Туапсе для трех катастрофических
паводков (1991, 2005, 2010 гг.) с использование данных плювиографов, двух
метеорологических станций в пределах рассматриваемого бассейна.
4. Проведены численные эксперименты, в которых использовались дополнительные сведения об осадках, вызвавших катастрофический паводок 1 августа 1991 г. Так, сумма суточных осадков на метеостанции «Горный» отличается в два раза (или на 150 мм) согласно разным источникам.
5. Оценены величины срочных и суточных расходов для паводка в июне 2005 г., когда наблюдения за стоком на р. Туапсе не проводились. Результаты расчета элементов водного баланса показали, что возможны несоответствия в опубликованных данных срочных и суточных расходов, а также всего периода наблюдений с 15 октября по 31 декабря 2010 г. Невязка водного баланса за период 1.10-31.12.2010 г. составила около 1000 мм.
6. Проведено моделирование процессов формирования стока в бассейне р. Цемес с суточным шагом за период с 1977 по 2013 гг.
7. Рассчитаны 1-часовые расходы воды в бассейне р. Цемес для трех катастрофических паводков (1988, 2002, 2012 гг.) на основе подробных данных о ходе ливневых осадков. Рассчитанные максимальные расходы могут быть приняты за срочную величину расхода и составили 688, 284 и 361 м3/с соответственно. Рассчитан потенциально возможный суточный расход 1% обеспеченности для р. Цемес.
На основании полученных результатов сделаны следующие выводы:
1) Результаты моделирования катастрофических паводков на реке Цемес 1988 и 2012 гг. указывают на необходимость учета состояния водосбора, предшествующего экстремальному гидрологическому событию - именно уникальное сочетание стокоформирующих и метеорологических факторов определяют его величину.
2) Результаты исследования на примере р. Туапсе опровергают мнение о неспособности распределенных детерминированных гидрологических моделей оценивать срочные расходы воды из-за слишком большого временного шага и показывают, что гидрологическая модель «Гидрограф» при наличии метеорологических данных детального разрешения (например, данных плювиографов) может использоваться в задаче оценки срочных расходов воды на малых водосборах в случае отсутствия наблюдений (2005 г.) или уточнения их величин, когда опубликованные данные о расходах могут носить неопределенный характер (случай 2010 г.). Применение методов моделирования позволяет также проводить численные эксперименты с входными метеорологическими данными в условиях их недостаточности (пример 1991 г.).
Практическая значимость работы заключается в создании методики расчета экстремальных характеристик водного режима для исследуемого региона, в том числе и для неизученных бассейнов с учетом основных процессов формирования стока. На настоящий момент ограниченность данных об осадках не позволяет использовать методы моделирования для массовых расчетов рядов срочных расходов воды, однако имеющиеся в наличие данные плювиографов чрезвычайно полезны для анализа факторов формирования катастрофических паводков и совершенствования методов математического моделирования.
Подобные работы
- Моделирование катастрофических паводков на реках Черноморского побережья Кавказа
Бакалаврская работа, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4700 р. Год сдачи: 2019