Обґрунтування системи розрахунку характеристик паводків на гірських річках басейну Дністра на основі математичного моделювання процесів формування дощового стоку

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 556.16+556.06+519.711.3

Обґрунтування системи розрахунку характеристик паводків на гірських річках басейну Дністра на основі математичного моделювання процесів формування дощового стоку

11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія

Автореферат на здобуття наукового ступеня

кандидата географічних наук

Приймаченко Наталія Василівна

Київ 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у відділі гідрологічних досліджень Українського науково-дослідного гідрометеорологічному інституті МНС України та НАН України

Науковий керівник: кандидат географічних наук, старший науковий співробітник Сосєдко Михайло Микитович Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут НАН України і Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, провідний науковий співробітник

Офіційні опоненти: доктор географічних наук, професор Мольчак Ярослав Олександрович Луцький національний технічний університет, директор навчально-науково-виробничого інституту ресурсозбереження та будівництва ЛНТУ, професор кафедри фізичної географії

кандидат географічних наук, доцент Явкін В'ячеслав Григорович Чернівецький Національний Університет імені Юрія Федьковича, завідувач кафедри географії та менеджменту туризму, доцент кафедри географії та менеджменту туризму

Захист відбудеться «25» березня 2010 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22 в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, МCП 680, проспект Глушкова, 2а, географічний факультет.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 64.

Автореферат розісланий «18» лютого 2010 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.22

кандидат географічних наук В. В. Гребінь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Територія басейну Дністра є одною з найбільш паводконебезпечних в Україні. За теплий період року тут відбувається звичайно три-п'ять дощових паводків різної висоти. При цьому максимальні витрати води 1-5%-ої ймовірності перевищення більші за витрати снігових та сніго-дощових паводків відповідних ймовірностей в 2-3 рази. За останні 120 років найвищі річні витрати води в басейні Дністра у 80 випадках були зумовлені літніми дощами.

Дощові паводки можуть формуватися досить швидко, створювати великі підйоми рівнів і значні розмиваючі швидкості течії води, призводячи до катастрофічних ситуацій. Із метеорологічних факторів основними є дощі - їх характер та інтенсивність. Найбільше значення мають площі поширення і загальний хід дощів, їх протяжність, сумарний шар опадів, їх середня і максимальна інтенсивність, інтенсивність ядра опадів, повторюваність значних дощів.

Фактори підстильної поверхні визначають інфільтрацію і швидкість добігання води по схилах і русловій мережі (тобто час формування паводка). Оцінювання характеристик стоку води має вагоме значення. Проте просторові оцінки мають обмежені можливості, не зважаючи на певну вивченість. вони потребують деталізації, тому що прив'язані до існуючої мережі спостережень, а інтерполяція стокових характеристик на невивчені території не завжди має підтвердження. Детальне оцінювання гідрологічних характеристик потребує застосування нових методів розрахунку. Один із шляхів удосконалення гідрологічних розрахунків - це застосування математичного моделювання процесів формування стоку.

Вирішенню проблеми розрахунку максимальних витрат та рівнів води під час дощових паводків на річках гірської частини басейну Дністра присвячена ця дисертаційна робота, а також отримані результати можуть бути використані при прогнозуванні цих величин. Це репрезентативно показано в даній дисертаційній роботі на прикладі басейну Дністра.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження за темою дисертації виконувались протягом 2003 - 2007рр. згідно з планами науково-дослідних робіт Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту, у виконанні яких автор приймала участь. Автор приймала участь у виконанні двох науково-дослідних робіт, з яких відповідальним виконавцем двох тем:

1. Тема НДР 5/03 (2003-2005рр.) № держреєстрації 0103U006511 «Розвиток і модернізація науково-методичної бази та технології прогнозування водного режиму річок і небезпечних та стихійних явищ на водних об'єктах на основі дослідження та математичного моделювання процесів їх формування»

2. Тема НДР 5/06 (2006-2007 рр.) № держреєстрації 0106U007309 «На основі вивчення закономірностей водного та теплового режиму водних об'єктів розробити та удосконалити комплексні басейнові системи прогнозування паводків, повеней, льодових явищ і селів».

Мета та завдання дослідження. Мета роботи - аналіз умов і процесів формування паводкового стоку та обґрунтування системи розрахунку характеристик дощових паводків для створення басейнової прогностичної підсистеми.

Для досягнення поставленої мети були вирішені наступні завдання:

- оцінка оптимальної деталізації просторової структури річкових водозборів з метою врахування неоднорідності умов формування стоку;

- удосконалення та розробка нових підходів щодо технології оцінювання параметрів математичної моделі дощового стоку з урахуванням ландшафтно-гідрологічних умов та їх чутливості;

- створення системи розрахунку максимальних витрат і об'ємів дощових паводків різної ймовірності перевищення для невивчених у гідрологічному відношенні водозборів;

- використання створеної розрахункової схеми для прогнозування максимального стоку води з малих гірських водозборів.

Об'єкт дослідження - гірські притоки р. Дністер.

Предмет дослідження - науково-методичне обґрунтування басейнової підсистеми прогнозування паводків на основі дослідження фізико-географічних, гідрометеорологічних умов та математичного моделювання процесів формування стоку. водозабір річковий дощовий паводок

Методи дослідження - ґрунтуються на математичному моделюванні процесів формування стоку води з урахуванням ландшафтно-гідрологічних особливостей водозборів. Опрацьовані в роботі підходи розвивають та удосконалюють досягнення в цій проблемі, започатковані вченими-гідрологами другої половини ХХ століття. В першу чергу це стосується узагальнення параметрів моделі і визначення їх для просторових об'єктів. Для обґрунтування просторової структури застосовані методи: статистичного аналізу, аналогії, інтерполяції, районування. При оцінюванні модельних параметрів застосовано метод декомпозиції та використані оптимізаційні процедури.

Вихідні матеріали - для аналізу умов формування паводків, відпрацювання технології оцінювання параметрів математичної моделі та обґрунтування структури басейнової прогностичної підсистеми в роботі використані дані спостережень державної гідрометеорологічної мережі 34-ох гідрометеорологічних постів на 24 річках. Зазначені дані були накопичені та систематизовані автором при виконанні науково-дослідних робіт і організовані у вигляді бази даних на технічних носіях.

Наукова новизна одержаних результатів в цілому полягає в розвитку, розробленні та реалізації теоретичних і науково-методичних засад для створення системи розрахунку характеристик дощових паводків басейнової прогностичної підсистеми, на основі яких:

Вперше:

- вперше в гідрологічній практиці запропоновані та реалізовані науково-методичні рішення для побудови просторової структури формування стоку з урахуванням ландшафтних особливостей річкових водозборів;

- створено інформаційний базис стосовно процесів, умов та особливостей формування паводків на водозборах досліджуваного регіону;

Удосконалено:

- удосконалено існуючі та розроблені нові підходи до застосування математичних моделей формування паводкового стоку в прогностичній практиці;

Отримало подальший розвиток:

- оцінено модельні параметри відповідно до умов гірської місцевості, що сприяє отриманню сталих їх значень, які не суперечать фізичним уявленням про процеси формування стоку води.

Підтвердженням достовірності отриманих результатів є оцінки точності обчислення, в порівнянні зі спостереженими, характеристик стоку та перебігу паводків (витрат і рівнів води) на річках басейну Дністра, здійснених шляхом модельних розрахунків.

Практичне значення одержаних результатів. Опрацьовані науково-методичні засади математичного моделювання процесів формування стоку води втілені в створеній автором системі розрахунку характеристик дощових паводків басейнової прогностичної підсистеми, яку в подальшому називатимемо «Дністер-Максимум» у складі басейнової інформаційно-прогностичної системи «Дністер». Створена розрахункова схема використовується для прогнозування максимального стоку води з малих гірських водозборів шляхом впровадження підсистеми «Дністер-Максимум» у Львівському ЦГМ.

Особистий внесок здобувача. Автор безпосередньо відпрацювала науково-методичні засади та технологічні рішення, які покладені в основу системи розрахунку характеристик дощових паводків прогностичної підсистеми в басейні Дністра.

Автор особисто:

- розробила та удосконалила наукові підходи, які дозволяють деталізувати прогнозну продукцію через її просторове подання;

- розширила обсяг прогнозної продукції, застосувавши розроблену нею локальну математичну модель, зокрема для прогнозування максимальних витрат/рівнів води на малих річках басейну;

- задля врахування ландшафтних особливостей гірських водозборів і просторової неоднорідності гідрометеорологічних умов - вивчена просторова структура опадів, визначена точність обчислення перебігу стоку за допомогою функцій впливу в умовах просторової нерівномірності розподілу водоутворення на водозборі та оцінена нестабільність залежностей між рівнями та витратами води, спричинена зміною умов переміщення водних мас.

Наведені в дисертації наукові результати, висновки та технологічні рішення належать автору. Вони підтверджують її особистий внесок у розвиток теоретичної та практичної гідрології на прикладі басейну Дністра.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи висвітлені в доповідях на ХХІІ, ХХІІІ, ХХІV Конференціях дунайських країн з гідрологічних прогнозів і гідрологічних основ водного господарства (Брно, чехія, 2004; Белград, Сербія, 2006; блед, Словенія 2008); другій всеукраїнській науковій конференції «Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія» (Київ, 2003); V Міжнародній науково-практичній конференції «Ресурси природних вод Карпатського регіону» (Львів, 2006); третій всеукраїнській науковій конференції «Гідрологія, гідрохімія, гідроекологія» (Київ, 2005); на науковому семінарі кафедри гідрології та гідроекології Київського національного університету імені Тараса Шевченка (2007).

Публікації. Результати дисертації опубліковані автором у вигляді 6 статей у наукових фахових виданнях із затвердженого ВАК України переліку (з них 5 одноосібних), 4 праці у матеріалах та 1 у тезах доповідей міжнародних конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Робота складається із вступу, 6 розділів, висновків і 5 додатків. Загальний обсяг дисертації - 221 сторінок, з них 127 сторінок основного тексту, 18 рисунків, 18 таблиць та додатки на 61 сторінках. Список використаних джерел налічує 150 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі „Огляд робіт з математичного моделювання дощового стоку на гірських водозборах та розрахунку характеристик паводків” подано короткий опис вітчизняних і зарубіжних робіт з математичного моделювання дощового стоку. На цей час математичне моделювання є найбільш продуктивним методом при прогнозуванні стоку в найбільш паводконебезпечних гірських регіонах. Математичні моделі процесів формування річкового стоку розроблялись в роботах М. А. Веліканова, Г. А. Алексєєва, А. Н. Бєфані, Г. П. Калініна, В. Д. Комарова, Е. Г. Попова, також значні досягнення в цьому напрямку мають зарубіжні вчені R.E.Horton, R.K.Linsley, M.A.Kohler, J.S.I. Dooge, J.E.Nash та ін.. Ці роботи лягли в основу сучасних уявлень про стокоутворюючі процеси і сприяли впровадженню в практику методів розрахунку гідрографа дощового стоку. Однак складність гідрологічних процесів, відсутність експериментальних даних і чітких фізичних уяв разом з недостатнім розвитком математичного апарату і розрахункових засобів залишали багато задач гідрологічної практики без достатнього фізико-математичного обґрунтування.

У галузі математичного моделювання процесів формування стоку води та реалізації моделей у прогностичних методиках досить плідні дослідження здійснювались в Гідрометцентрі СССР. Це переважно роботи Л.С. Кучмента, В.І.Кореня та В.А. Бєльчикова.

В Україні математичні моделі процесів формування стоку води розроблялись в УкрНДГМІ та Одеському Гідрометінституті. В Україні у прогностичній практиці застосовуються створені в УкрНДГМІ математичні моделі дощового стоку, які діють як структурні складові (підсистеми) басейнових прогностичних систем. Для рівнинних та гірських басейнів України з врахуванням неоднорідності ландшафтних і гідрометеорологічних умов у межах річкового басейну опрацьовані в УкрНДГМІ (М.М. Сосєдко, Т.В. Масловою, О.І. Лук'янець, Н.В. Приймаченко).

У другому розділі „Мережа спостережень та гідрологічна вивченість гірської частини басейну Дністра” описана мережа гідрологічних і метеорологічних спостережнь у гірській частині басейну Дністра, а також гідрологічна вивченість та історія розвитку досліджень цього басейну. На території вказаного водозбору найбільша щільність річкової мережі становить 1,48-2,27 км/км². У басейні діє 34 гідрометеорологічних пости на 24 річках. Розташування постів подано на рис.1. Викладено склад гідрологічних і метеорологічних спостережень і вимірювань.

Tретій розділ „Фізико-географічні умови формування дощового стоку на гірських водозборах території” присвячений розгляду і детальному аналізу гідрометеорологічних умов під час розвитку та проходження паводків і зроблені висновки щодо особливостей їх формування в Прикарпатті під дією фізико-географічних чинників.

Розглянуто особливості формування дощових паводків на річках гірської частини басейну Дністра. Процес формування максимальних витрат води дощових паводків в басейні Дністра має своєрідні особливості. Територія басейну верхнього і середнього Дністра розташована на північно-східних схилах Карпат, де виділяється три геоморфологічні області: замкнена між більш високими гірськими масивами Вододільно-Верховинська область, Зовнішні Карпати з рядом гір висотою 1000 - 1800 м і низькогірна зона Передкарпаття. Сам Дністер, його праві притоки, найбільші з яких Стрий, Свіча, Ломниця, Бистриця, Стрвяж, беруть початок в гірській частині басейну.

Статистичні характеристики дощових паводків З метою оцінки максимального стоку розглянуто період з 1945р. по 2000р. Були використані дані про рівні та витрати води правих приток Дністра постів мережі спостережень Гідрометслужби України.

За характеристику максимального стоку прийняті модулі максимальних витрат води 1% ймовірності перевищення, приведені до площі 200 км² та шари стоку 1% ймовірності перевищення. А також для більш глибокого аналізу розглянуті показники опадів 1% ймовірності перевищення. Це зроблено з метою мати можливість оцінювати максимальний стік у просторовому поданні, оскільки максимальні витрати води зазнають редукції по площі та внаслідок регулювання русловою мережею.

Визначні паводки На карпатських річках паводки різної висоти повторюються 3-8 разів на рік. Але особливо загрозливими бувають вони у періоди високої водності, зумовлені глобальною атмосферною циркуляцією.

В одні й ті ж періоди, що і на території Західної і Центральної Європи - на території Прикарпаття вже неодноразово проходили високі паводки, нерідко з катастрофічними наслідками. Вони охоплювали також і територію Західної і Центральної Європи, що пов'язано з інтенсифікацією атмосферних процесів над Атлантикою та Європою. У басейні гірського Дністра визначні паводки спостерігались в наступні роки: 1893,, 1900, 1906, 1913, 1927, 1941, 1948, 1969, 1980, 1998, 2007, 2008рр.

У четвертому розділі „Просторова структура прогностичної підсистеми «Дністер-Максимум» та методичні засади структури імітаційної системи” визначено просторову структуру прогностичної підсистеми Дністер-Максимум. При визначенні розмірності просторової структури імітаційної системи, тобто кількості просторових об'єктів, а також розрахункового проміжку часу, враховані результати дослідження полів метеорологічних величин та оцінки точності обчислення перебігу стоку води (гідрографів) під час паводків(див. нижче) для найбільш точного врахування розподілу водоутворення по площі річкового басейну.

Методичні засади структури імітаційної системи та математичне моделювання паводків передбачають опис паводкової хвилі у вигляді гідрографа. Якщо є в наявності необхідні дані за період паводка, то можна отримати, застосовуючи математичну модель формування стоку, весь гідрограф (фази підйому, піку та спаду). При короткотерміновому прогнозуванні перебігу стоку отримуємо окремі ділянки паводкової хвилі з поступовим подовженням їх. паводок формується з чотирьох складових: поверхневого стоку, підповерхневого стоку, стоку внаслідок виснаження запасів води в русловій мережі та підґрунтового стоку.

Опис всього комплексу процесів формування дощового стоку на гірських водозборах представлено математичною моделлю формування дощового стоку у вигляді імітаційної системи, яка складається із паралельних підсистем. Просторова неоднорідність водоутворення при цьому враховується шляхом самостійного його розрахунку на кожній виділеній частковій площі (в підсистемах) до відповідних вихідних даних, які є середніми для цієї площі.

У частині розділу, присвяченій оцінюванню параметрів прогностичної підсистеми з допомогою випробування моделі формування дощового стоку, викладені принципи та підходи, застосовані до оцінювання оптимальних модельних та площинних параметрів прогностичної підсистеми Дністер-Максимум. Математична модель формування дощового стоку діє в прогностичній підсистемі як складова до оцінювання водоутворення на часткових басейнах. Проте не всі часткові площі мають гідрологічні спостереження, щоб можна було безпосередньо оцінити значення потрібних параметрів. Тому для успішного їх визначення використано спеціально опрацьовану технологію оцінювання параметрів, метод декомпозиції, результати узагальнення значень параметрів у залежності від ландшафтних характеристик водозборів, як висота місцевості, середній її похил, залісеність, довжина річкової ділянки, розмір площі водозбору.

Зі всього загалу параметрів виділено територіально загальні (постійні) та регіональні (змінні). Значення постійних параметрів закладені в розрахункових виразах моделей як константи; їх значення отримані на основі вивчення процесів формування стоку води (інтенсивність сніготанення, водовіддачі, зміна стану підстильної поверхні). Вплив цих параметрів може здійснюватися через врахування залісеності, експозиції місцевості та ін. Значення змінних параметрів визначені для певних просторових об'єктів шляхом параметризації. Частина з цих параметрів оцінюється за даними гідрометеорологічних спостережень - фільтрація, виснаження запасів води, що накопичилися в русловій мережі перед поточним паводком, випаровування. Значення інших параметрів визначаються лише в певному діапазоні, а потім уточнюються шляхом оптимізації. Слід зазначити, що до комплексу параметрів системи відносяться не тільки модельні параметри (оптимальні їх значення), завдяки яким обчислюється стокоутворення, але й площинні параметри. Останні визначають просторову структуру системи через розміри часткових площ, а також інтерполяційні коефіцієнти для обчислення середніх значень метеорологічних величин на просторових об'єктах з використанням існуючої мережі спостережень.

Математична модель діє в прогностичній системі як складова для оцінювання водоутворення внаслідок випадіння дощу. А через визначення часткових площ враховується різноманітність ландшафтних і гідрометеорологічних умов в межах будь-якого часткового басейну. Застосування технологічних рішень при оцінюванні параметрів вимагало численних розрахунків за одночасного визначення як площинних так і модельних параметрів.

У п'ятому розділі „Значущість процесів формування дощового стоку та узагальнення параметрів математичної моделі” розглянуто методику оцінювання максимальних витрат води і об'ємів стоку на гірських водозборах на засадах математичного моделювання стоку включає при моделюванні гідрографа паводка заданої ймовірності перевищення три комплекси показників, які відносяться до певного водозбору: кількість опадів заданої ймовірності перевищення, розподіл опадів по розрахунковим проміжкам часу, параметри математичної моделі формування дощового паводку.

Оцінювання оптимальних параметрів математичної моделі формування дощового стоку для малих водозборів басейна Дністра здійснювалося за гідрометеорологічними даними, що охоплюють паводки різної висоти, із застосуванням технології, яка базується на методі декомпoзиції.

Значущість процесів формування дощового стоку на гірських водозборах При створенні методики необхідно визначити необхідну точність оцінки параметрів моделі і звернути увагу на більш детальне дослідження тих процесів стоку, які є визначальними при різних гідрометеорологічних ситуаціях, що складаються на водозборі. Вирішення такої задачі здійснено шляхом чисельних експериментів на фактичних даних спостережень.

Вплив похибок задання параметрів моделі на точність розрахунку гідрографа Сутність дослідження чутливості моделі у відношенні мінливості параметрів полягала в наступному. Спочатку за даними кількох паводків різної висоти встановлювалися оптимальні параметри. Потім виконувалися розрахунки гідрографів для змінених значень параметрів, що задаються в діапазоні ±80%, ±50%, ±20% початкової величини, отриманої при оптимізації моделі. У такий спосіб по кожному паводку розраховано 60 гідрографів.

аналіз чутливості моделі. Як свідчить аналіз чутливості моделі та її складових, відповідно до її структири та взаємозв'язку воднобалансових рішень, найбільш істотний вплив на кінцеві результати чинять функції впливу та параметри K₃ (параметр, який визначає здатність підповерхневого шару ґрунту і підґрунтя до вбирання (інфільтрації) та дренування води), W_m (максимальна вологоємкість діючого шару ґрунту та підґрунтя, в якому формується підповерхневий стік), з (відносний показник діючої площі водозбору, де формується поверхневий стік). Від їхніх значень залежить інтенсивність основних втрат, розподіл стоку на поверхневу і підповерхневу складові та природній регулюючий вплив водозбору.

У шостому розділі „Методична основа системи короткотермінового прогнозування максимальних витрат води дощових паводків на річках гірської частини басейну Дністра”

Методика Дністер - Максимум (DN-Max) Методика Дністер - Максимум, символічне ім'я якої DN-Max, призначена для оцінювання максимальных витрат/рівнів води на гірських притоках Дністра під час дощових паводків.

У новій підсистемі, яка пропонується, оцінювання максимального стоку здійснюється для створов (постів), розташованих у верхів'ї Дністра та на гірських його притоках (Бистриця, Стрвяж, Стрий, Яблонька, Рибник, Опір, Славська, Головчанка, Орава, Свіча, Лужанка, Сукель, Лімниця, Чечва, Луква, Бистриця Надвірнянська, Бистриця Солотвинська, Ворона). Загальна кількість постів (створів) - 29. Але програма дозволяє оцінювати максимальний стік і для меншої кількості постів, залежно від наявного обсягу інформації про опади та поставленого завдання.

Варіанти прогнозування. Для збільшення завчасності прогнозування максимальних витрат/рівнів води за пропозицією користувача враховано можливість використання прогнозів опадів. З цією метою передбачено організовувати масиви опадів вхідного потоку в наступних трьох варіантах:

* Фактичні кількості опадів за 3-4-годинні інтервали; якщо така деталізація відсутня, можуть бути використані дані за 6-годинні або 12-годинні проміжки часу; програма вибирає найбільш ефективну кількість опадів без втручання користувача;

* Опади задаються програмно в кількості 40, 60, 80 і 100мм без втручання користувача; розрахунок здійснюється для всіх цих кількостей;

*Опади задаються в одному масиві - фактичні й прогнозні кількості; фактичні за три інтервали так, як описано в першому варіанті (4, 6 або 12 годин), а прогнозні значення - за два 12-годинні проміжки.

Для всіх трьох варіантів залучаються одні й ті ж розрахункові параметри.

ВИСНОВКИ

На території гірської частини басейну р. Дністер спостерігаються часті дощові паводки, які нерідко набувають руйнівного за своїми наслідками характеру. Істотне підвищення рівня інформаційної здатності служби гідрологічного оповіщення в басейні Дністра можливе лише шляхом створення автоматизованої інформаційно-прогностичної системи, яка б охоплювала всі ланки діяльності цієї служби від гідрометеорологічних спостережень до забезпечення інформативною та прогнозною продукцією відомства й установи, що організовують і здійснюють паводкозахисні заходи.

Опрацьовано систему розрахунку максимальних витрат і об'ємів дощових паводків ймовірністю перевищення 1-5% для невивчених у гідрологічному відношенні водозборів. Ця система ґрунтується на математичному моделюванні дощового стоку з використанням просторово - часового оцінювання опадів ймовірністю 1-5% за інтервали 3-12 годин по однорідних районах. За ступенем схематизації, запропонована система, на думку автора, матиме більш широке застосування в гідрологічній практиці порівняно з формулами редукції та граничної інтенсивності. На засадах математичного моделювання створено прогностичну підсистему “Дністер-Максимум”, яка становить один із компонентів загальної басейнової системи.

У науково-методичному та технологічному напрямках виконання цього завдання забезпечується створеною прогностичною підсистемою “дністер-Максимум”, яка передана для впровадження в оперативну діяльність Львівського ЦГМ. Прогностична підсистема короткотермінового прогнозування стоку діє за принципом змінних стану та ґрунтується на використанні математичних моделей процесів формування дощового стоку. Структура та функціональні рішення моделі мають наступні особливості:

модель формування дощового стоку загальна для окремих генетично однорідних видів стоку води, а просторові та ландшафтні особливості формування стоку враховуються шляхом параметризації;

локальна модель “дністер - Максимум” є похідною від моделі формування дощового стоку;

водозбір розглядається в моделі як динамічна система, процеси в якій розвиваються безперервно в часі.

В структурі математичної моделі відображені процеси, що призводять до формування поверхневого та підповерхневого стоку на водозборі, враховуються поверхневе затримання дощової води, інфільтрація, перерозподіл стоку в підповерхневому шарі ґрунту. Для оцінювання оптимальних параметрів автором застосована технологія, яка ґрунтується на принципі декомпозиції та встановлених залежностей параметрів від ландшафтних показників. Прогнозування характеристик стоку в басейні здійснюється з завчасністю 6-12 годин.

Математичне моделювання паводків з метою використання його в прогностичній системі потребувало досконалого вивчення ландшафтних і гідрометеорологічних умов на території басейну. Сюди відносяться наступні дослідження, виконані з цією метою:

аналіз умов, особливостей формування дощових паводків та їх повторюваності;

оцінка нестабільності залежностей між рівнями та витратами води, спричинена зміною умов переміщення водних мас на річкових ділянках;

узагальнення багаторічних характеристик витрат і рівнів води на річках басейну; просторовий розподіл модулів максимальних витрат води та шарів стоку дощових паводків;

вивчення просторової структури полів гідрометеорологічних величин (у першу чергу опадів) та оцінювання точності обчислення середніх по площі їхніх значень і репрезентативності мережі спостережень;

багатоваріантне моделювання стоку води з урахуванням чутливості модельних і просторових параметрів;

опрацювання технології оцінювання параметрів математичної моделі з урахуванням ландшафтних умов; коливання значень параметрів окремих процесів, які призводять до формування стоку.

Теоретичні та методичні засади для створення басейнової прогностичної системи та її складових удосконалені автором на підставі використання напрацювань М.М.Сосєдка, а в багатьох відношеннях розроблені нею безпосередньо. Прогностична підсистема “Дністер - Максимум” з участю автора передана для впровадження до оперативної діяльності служби гідрологічного оповіщення Львівського ЦГМ. Розроблення та запровадження прогностичних систем сприяє комплексному вивченню умов і процесів формування паводків з урахуванням розмаїття ландшафтних особливостей річкових водозборів.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ АВТОРА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

Статті

1. Приймаченко Н. В. Структурні особливості дощових паводків на гірських водозборах. / Н. В. Приймаченко // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. 2003. Вип. 251. с. 49-53.

2. Приймаченко Н. В. Становлення і розвиток гідрологічних досліджень у басейні р. Дністер / Н. В. Приймаченко // Гідрологія, Гідрохімія, Гідроекологія. 2005. Том 7. C. 182-189.

3. Приймаченко Н. В. Значущість процесів формування дощового стоку на гірських водозборах / Н. В. Приймаченко // Наукові праці Українського науково-дослідного гідрометеорологічного інституту. 2006. Вип. 255. с. 290-297.

4. Приймаченко Н. В. Залежність максимального стоку дощових паводків у басейні Дністра від орографічних та гідрометеорологічних умов. / Н. В. Приймаченко // Гідрологія, Гідрохімія, Гідроекологія. 2006. Том 9. с. 71-77.

5. Приймаченко Н. В. Особливості орографічних та гідрометеорологічних умов формування дощових паводків у басейні Дністра та вплив їх стоку на руслові процеси. / Н. В. Приймаченко // Гідрологія, Гідрохімія, Гідроекологія. Київ. 2006. Том 11. C. 197-202.

6. Сусідко М. М. Особливості формування дощових паводків у басейні Дністра. / М. М. Сусідко, Н. В. Приймаченко // Гідрологія, Гідрохімія, Гідроекологія. Київ. 2009. Том 17. C. 76-80. (Зроблено опис формування та перебігу паводків у липні 2008 на території басейну Дністра.)

Матеріали конференцій

7. Lukyanets O. Elaboration of basin forecasting systems in the Carpathian region with regard for landscape conditions [Електронний ресурс]: XXII^nd Conference of Danubian countries on the Hydrological forecasting and hydrological bases of water management / O. Lukyanets, N. Pryimachenko - 80min / 700Mb - Brno, Czech Republic, 30 August-2 September 2004 - 1 електрон. опт. диск.(CD-ROM); 12см. Систем. вимоги: 32Mb RAM; Windows 95, 98, 2000, XP; MS Word 97-2000. Назва з титул. екрану. (Отримані вирази і параметри для оцінення сніготанення і стану підстилаючої поверхні, які використані як складові математичної моделі сніго-дощового стоку.).

8. Гідрометеорологічні та орографічні умови формування максимального стоку дощових паводків у басейні Дністра: матеріали V Міжнар. науково-практичної конференції [«Ресурси природних вод Карпатського регіону» Проблеми охорони та раціонального використання], (Львів, 25 - 26 травня 2006 р.) / НАН України, Ін-т. геології і геохімії горючих копалин та ін. Л.: Львівський центр науково-техн. і економічної інформації, 2006. 290 с.

9. Pryimachenko N. The analysis of the sensitivity of a rain runoff formation processes on the mountain catchments [Електронний ресурс]: XXIII^nd Conference of Danubian countries on the Hydrological forecasting and hydrological bases of water management / N. Pryimachenko - 80min / 700Mb - Belgrade, Republic of Serbia, 28 -31 August 2006 - 1 електрон. опт. диск.(CD-ROM); 12см. Систем. вимоги: 32Mb RAM; Windows 95, 98, 2000, XP; MS Word 97-2000. Назва з титул. екрану.

10. Pryimachenko N. Spatial-temporal evaluation of maximal quantity of precipitations for hydrological calculations and forecasts [Електронний ресурс]: XXIV^th Conference of Danubian countries on the Hydrological forecasting and hydrological bases of water management / N. Pryimachenko, M. Sosedko - 80min / 700Mb - Bled, Republic of Slovenia, 2 - 4 June 2008 - 1 електрон. опт. диск.(CD-ROM); 12см. Систем. вимоги: 32Mb RAM; Windows 95, 98, 2000, XP; MS Word 97-2000. Назва з титул. екрану. (Проведено аналіз розподілу максимальних опадів для гірської частини басейну Дністра.)

Тези доповідей

11. Структурні особливості дощових паводків на гірських водозборах.: тези доповідей Другої Всеукраїнської конференції [«Гідрологія, Гідрохімія, Гідроекологія»], (Київ, 24-26 листоп. 2003 р.) / М-во екології та природних ресурсів України, Київ. нац. ун-т. ім. Т. Шевченка. К.: Ніка-Центр, 2003. 188 с.

АнотацІя

Приймаченко Н. В. Обґрунтування системи розрахунку характеристик паводків на гірських річках басейну Дністра на основі математичного моделювання процесів формування дощового стоку. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата географічних наук за спеціальністю 11.00.07 - гідрологія суші, водні ресурси, гідрохімія. Географічний факультет Київського національного університету імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

Для обґрунтування застосування математичного моделювання паводків у прогностичній підсистемі «Дністер-Максимум» автором виконані наступні дослідження: аналіз умов, особливостей формування дощових паводків і їхньої повторюваності; узагальнення багаторічних характеристик витрат і рівнів води на ріках басейну у вигляді їхніх значень імовірністю перевищення від 0,5 до 50% ; просторовий розподіл модулів максимальних витрат води; вивчення просторової структури полів метеорологічних величин і оцінка точності розрахунку їх середніх по площі значень; різноманітне моделювання стоку води з врахуванням чутливості модельних і просторових параметрів.

Прогностична підсистема «Дністер-Максимум» забезпечує короткострокове прогнозування рівнів води під час дощових паводків в 29 створах на малих гірських річках басейну.

Вона передана для впровадження за участю автора в практичну діяльність Львівського гідрометцентру. За результатами авторської апробації підсистеми, оцінки ефективності прогнозів позитивні - в 80% випадків їх похибок не перевищують допустимих.

Ключові слова: паводки, процеси формування стоку води, математичне моделювання, принцип змінних стану, ландшафтні характеристики, прогностична система, просторова структура, параметризація.

Аннотация

Приймаченко Н. В. Обоснование системы расчёта характеристик паводков на горных реках бассейна Днестра на основе математического моделирования процессов формирования дождевого стока. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата географических наук по специальности 11.00.07 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2009.

Для обоснования применения математиического моделирования паводков и половодий в прогностической подсистеме «Днестр-Максимум» автором выполнены следующие исследования: анализ условий, особенностей формирования дождевых паводков и их повторяемости; обобщение многолетних характеристик расходов и уровней воды на реках бассейна в виде их значений вероятностью превышения от 0,5 до 50% ; пространственное распределение модулей максимальных расходов воды; изучение пространственной структуры полей метеорологических величин и оценка точности расчета их средних по площади значений; многовариантное моделирование стока воды с учетом чувствительности модельных и пространственных параметров.

Прогностическая подсистема «Днестр-Максимум» обеспечивает краткосрочное прогнозирование уровней воды во время дождевых паводков в 29 створах на малых горных реках бассейна.

Она передана для внедрения с участием автора в практическую деятельность Львовского гидрометценра. Во время авторской апробации оценки эффективности прогнозов в 80% случаев не превышают допустимых погрешностей.

Ключевые слова: паводки, процессы формирования стока воды, математическое моделирование, принцип переменных состояния, ландшафтные характеристики, прогностическая система, пространственная структура, параметризация.

ANNOTATION

Pryimachenko N. V. Grounding of the system computation characteristics floods in the mountain river of Dnestr basin on the bases mathematical modeling of rain runoff formation processes. - Manuscript.

Thesis for obtaining a candidate degree in geographical sciences, in the speciality 11.00.07 - Hydrology of the land, water resources, hydrochemistry. The geographical faculty of the Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2009.

Frequent rain high waters in the river Dnestr's basin quite often reach of destructive character on the consequences. Essential increase of information level of the service of the hydrological notification in a scientifically-methodical and technological direction is provided by created basin forecasting the subsystem «Dnestr-Maximum» which is organised as a subsystem forecasting system "Dnestr". To consider inhomogeneity of landscape and hydrometeorological conditions, the spatial structure forecasting systems in pool of Dnestr which consists only of one level of detailed elaboration was designed, so partial basins are allocated. To definite spatial objects of the system are taken into consideration results of researches of fields of meteorological sizes in Carpathian region and informative capability of the network of hydrometeorological monitoring. The author has involved the technological decision concerning the account of spatial features of catchments - mathematical models operate as components forecasting subsystems on everyone spatial object with corresponding parameters and hydrological conditions of this district.

For substantiation application of mathematical modelling of high waters in forecasting system the author executes following researches: the analysis of conditions, features of formation of rain high waters and their repeatability; generalisation of long-term characteristics of water discharges and water levels on the rivers of main basin the form of their values probability of excess from 0,5 to 50%; spatial distribution of modules of the maximum expenses of water; studying of spatial structure of fields of meteorological sizes and the estimation of accuracy of calculation of their averages on the area of values; multiple modelling of a runoff of water taking into account sensitivity of modelling and spatial parameters; definition of accuracy of calculation of a course of a runoff by means of functions of influence in the conditions of spatial heterogeneity of distribution of water formation on a catchment; technology improvement estimation parameters of mathematical models taking into account landscape characteristics of catchments.

The forecasting subsystem "Dnestr-Maximum" provides short-term forecasting of water levels during rain high waters in 29 section lines on the small mountain rivers of main basin. For the purpose of increase of informative ability in the subsystem "Dnestr- Maximum" possibility probabilistic estimation water discharge/water levels on the period which is defined by advance time of the forecast of precipitation is provided.

The forecasting system is based on use of mathematical models of processes of formation of a rain runoff which operate by a principle of state variables. The structure and functional decisions of mathematical model have following features. Rain runoff forming model - is general for separate genetically homogeneous kinds of a runoff of water, and spatial and landscape features of formation of a runoff is considered by parameterization. The local model "Dnestr-Maximum" is derivative of model Rain runoff forming model. Each catchment is considered in model as dynamic system, processes in which develop continuously in time.

The forecasting subsystem "Dnestr-Maximum" is transferred for introduction with participation of the author for practical activities Lviv weather bureau. By results of author's approbation of a subsystem, an estimation of efficiency of forecasts positive -- in 80 % of cases of their error do not exceed the admissible.

Key words: floods, runoff forming processes, mathematical modeling, principle of state variables, landscape conditions, forecasting system, spatial structure, parameterization.

Размещено на Allbest.ru