Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний автомобільно-дорожній університет

УДК 625.745.11

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Спеціальність 05.22.11- Автомобільні шляхи та аеродроми

Гідрологічні розвідування мостових переходів з застосуванням методів дистанційного зондування землі

Бєлятинський Андрій Олександрович

Харків - 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національному авіаційному університеті Міністерства освіти і науки України та Національному транспортному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: Большаков Валерій Олексійович, доктор технічних наук, професор кафедри мостів і тунелів Національного транспортного університету МОН України (м. Київ), Заслужений діяч науки і техніки України. гідравліка міст підтоплення гідрографіка

Офіційні опоненти: Філіппов Володимир Володимирович, доктор технічних наук, професор кафедри будівництва та експлуатації автомобільних доріг ім. О.К. Біруля Харківського національного автомобільно-дорожнього університету МОН України (м. Харків). Боровий Валентин Олександрович, доктор технічних наук, професор, ректор Чернігівського державного інституту економіки і управління МОН України (м. Чернігів). Білеуш Анатолій Іванович, доктор технічних наук, професор кафедри дистанційного навчання Національного авіаційного університету МОН України (м. Київ).

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України.

Захист дисертації відбудеться 26 травня 2005 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського 25.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, Україна, м. Харків, вул. Петровського 25.

Автореферат розісланий 25 квітня 2005 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, к.т.н., доцент Кияшко І.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Найбільш масовими спорудами при перетині автомобільними дорогами річок та інших водних перепон є мостові переходи. Споруди мостових переходів взаємодіють з водним потоком і можуть бути затоплені і зруйновані водою, що тече. Однією з основних причин, що викликають руйнування мостових переходів під час повеней, є перевищення фактичних витрат над витратами, за якими були розраховані споруди.

Велика кількість руйнувань мостових переходів, заплавних насипів та регуляційних споруд на Україні, особливо в Закарпатті, ставить питання про необхідність більш надійного визначення витрат води, гідрологічних характеристик, встановлення руслових деформацій та ін., тобто при гідрологічних розвідуваннях нових та при обстеженні існуючих мостових переходів слід застосовувати більш досконалі прогресивні сучасні методи, комп'ютерні технології.

Застосування аерокосмічних методів для отримання якісно нової інформації про природні процеси на річках та їх водозбори робить актуальним питання вибору найбільш надійних моделей дистанційної інформації, що здатні давати найкращі результати. Аерокосмічна інформація володіє такою принциповою особливістю, як просторово-часова і факторна інтеграція, що адекватна природній інтеграції.

Вивчення заплавних розливів в часі (у високу повінь) і в просторі (по довжині річки) має практичне і наукове значення, оскільки за отриманими закономірностями затоплення і випорожнення вздовж річки в процесі проходження повені стає можливим забезпечити більш точний прогноз найвищих рівнів на мостових переходах, як на всьому протязі річки, так і на всій річковій мережі цілого регіону. Для цього випадку очевидні переваги спостережень з космічних висот, а саме: постійність спостереження за річками в районі мостових переходів, велика оглядовість і швидкість отримання інформації.

Незважаючи на значне розширення сфери дистанційного зондування Землі, як з космосу, так і з літака, цей метод при гідрологічних розвідуваннях мостових переходів на Україні знаходиться ще на початковій стадії. Нагальність вирішення інженерних задач, пов'язаних з вивченням гідрології річок на мостових переходах та попередження затоплення мостових переходів під час катастрофічних повеней, зумовлює актуальність роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у відповідності до Загальнодержавної (Національної) космічної програми України на 2003-2007 роки, яка затверджена Законом України № 203-IV від 24.10.2002 р. і пов'язана з науковою тематикою Національного авіаційного та Національного транспортного університетів відповідно до координаційного плану № 24 міжвузівської науково-технічної програми Міністерства освіти і науки України, держбюджетною темою «Теоретичні основи вдосконалення ефективного функціонування дорожньо-будівельного комплексу України в умовах ринкової економіки» та держбюджетними господарчими темами: «Теоретичні і прикладні аспекти технічної механіки рідини», «Теоретичні основи використання стереофотограмметрії в інженерній гідравліці» (Звіти про НДР №№ держреєстрації 0100U003563, 0102U002753, 2000-2004рр.). Дисертаційна робота виконана в рамках Меморандуму про взаєморозуміння щодо питань безпечного розвитку автодорожнього господарства України, який був укладений між Українським (тепер Національний) транспортним університетом, Державною корпорацією «Укравтодор» (тепер Державна служба автомобільних доріг України «Укравтодор»), Міжнародною Асоціацією «Український Центр Менеджменту Землі та Ресурсів» в 2000 р. (Звіти про виконання меморандуму 2000-2002 рр.).

Метою роботи є розробка і застосування методології комплексних гідрологічних розвідувань, яка поєднує методи дистанційне зондування Землі з стереофотограмметричним зніманням місць проектування нових та реконструкції існуючих мостових переходів для підвищення надійності гідравлічних розрахунків штучних споруд та інших елементів мостового переходу.

Задачі дослідження:

розробка методології гідрологічних розвідувань мостових переходів, що включає в комплексі дистанційне зондування Землі з космічного супутника та літака для визначення розрахункових імовірностних величин водного потоку та просторового аналізу катастрофічних гідрологічних ситуацій в районі мостового переходу;

розробка математичних моделей процесів стоку з використанням інформації результатів дистанційного зондування басейнів річок на ділянках прилеглих до мостового переходу;

розвинення та узагальнення теорії визначення витрати води інтеграційним методом за матеріалами аерофотознімання та наземної стереофотограмметрії на ділянках річок, де проектуються мостові переходи;

розробка теоретичних основ методу, який дозволить по стереоскопічній моделі мостового переходу зі застосуванням дистанційного зондування Землі з літака одночасно визначити величини загального та місцевого розмивів та величини руслових природних деформацій;

розробка методу та математичних закономірностей для визначення по стереомоделі мостового переходу величини підпору, висоти набігання хвилі, висоти насипу на заплаві, визначення умовних рівнів води і побудови профілів живого перерізу для ділянки проектуючого мостового переходу;

визначення алгоритму і технологічної схеми обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів;

проведення експериментальних досліджень на річках Закарпаття та на річці Південний Буг для обґрунтування теоретичних досліджень застосування аерокосмічних методів в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів.

Об'єкт дослідження - течія річки на ділянці мостового переходу та стік води з водозбірних басейнів.

Предмет дослідження - гідрологічні розвідування мостових переходів з застосуванням методів дистанційного зондування Землі, які базуються на сучасних прогресивних технологіях.

Методи дослідження.

При виконанні дисертаційної роботи використовувались такі методи дослідження:

теоретичні - математичне моделювання процесів стоку з використанням інформації результатів дистанційного зондування басейнів річок та методи фотограмметрії для визначення імовірностних характеристик течії річки: підпору води, умовних відміток рівнів води, глибини і побудови профілю живого перерізу тощо;

теоретико-емпіричні - методи дистанційного зондування Землі для визначення площі підтоплення на мостових переходах під час стихійних лих та використання космічної зйомки з метою установлення гідрологічної ситуації біля мостових переходів. Метод аерофотознімання для визначення імовірностних характеристик водного потоку: кінематики потоку, витрати води, величин місцевого і загального розмивів на ділянках річок, де існують, будуються або проектуються мостові переходи .

Наукова новизна одержаних результатів:

на базі виконаного комплексу теоретичних і експериментальних досліджень вперше розроблена та реалізована методологія застосування космічної інформації та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів, що проектуються та мостових переходів, які підлягають реконструкції;

науково обґрунтовані і розроблені такі нові методи, як прогнозування та установлення меж підтоплення мостових переходів за даними космічних знімань; установлення величини витрати води в районі мостового переходу, що проектується, та елементів водного потоку; установлення по стереомоделі мостового переходу величини підпору води, висоти набігання хвилі, визначення умовних рівнів води і побудови профілів живого перерізу; установлення на існуючих мостових переходах величини загального та місцевого розмивів та величини руслових природних деформацій;

розроблені нові технологічні схеми обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів, які передбачають шляхом використання космічного зондування та геоінформаційних технологій, просторове моделювання гідрологічних ситуацій;

на основі теоретичних досліджень удосконалені і запропоновані основні етапи моделювання повеневих ситуацій;

на базі досліджень космічної інформації розроблена нова методика просторового аналізу наслідків катастрофічних гідрологічних ситуацій засобами ГІС.

Практичне значення одержаних результатів.

проведені дослідження дозволяють використати їх результати для достовірного обстеження гідротехнічних споруд та надійного обгрунтування гідрологічних розрахунків при проектуванні, будівництві і реконструкції мостових переходів;

розроблено новий комплексний метод дослідження гідрологічних характеристик річок біля мостових переходів, який включає матеріали аерокосмічного знімання і використовується при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів;

розроблені нові математичні моделі процесів стоку з використанням космічної інформації з метою прогнозування та попередження підтоплення заплав у важкодоступних гірських районах під час стихійних лих;

на основі стереоскопічної моделі існуючого мостового переходу отримані нові закономірності, які застосовуються для визначення величини витрати води та ряду інших характеристик, а також величин загального та місцевого розмивів та величини руслових деформацій;

вперше виконана оцінка точності космічних та стереоскопічних вимірювань, яка дозволяє установити допуски при визначенні елементів водного потоку та величин розмивів;

отримані результати досліджень покладені в основу розробки Методичного документу ДП «Укрдіпродор», додержання положення якого є обов'язковим для виконання гідрологічних розвідувань мостових переходів з метою їх проектування чи реконструкції.

Результати досліджень впроваджені: АТЗТ «Інститутом по вишукуванню та проектуванню автомобільних шляхів та мостів Київсоюзшляхпроект» при розробці проектів мостових переходів (акт впровадження від 25.02.2004 р.); Державною службою автомобільних доріг України з метою попередження руйнування мостових переходів (акт впровадження від 11.01.2005 р.); ВАТ «Мостобуд» при ремонті і реконструкції мостових переходів ( акт впровадження від 24.01.2002 р.); Науково-дослідним центром безпеки дорожнього руху МВС України ( акт впровадження № 45/980 від 01.07.2004 р.) та Оперативно-рятувальною службою м. Харкова ( акт впровадження від 18.03.2004 р.); Українським державним проектним інститутом по проектуванню об'єктів дорожнього господарства «Укрдіпродор» для попередження руйнування мостових переходів в Закарпатській області ( акт впровадження № 1040-01 від 04.06.2004 р. ); Українським державним науково-дослідним інститутом проектування міст «Діпромісто» при проектуванні населених пунктів ( акт впровадження від 01.10.2004 р. ); Службою автомобільних доріг у Харківській області при обстеженні та вишукуваннях мостових переходів та автомобільних доріг ( акт впровадження № 325/03 від 12.03.2004 р. ).

Особистий внесок здобувача: В дисертації використані авторські розробки та ідеї, зокрема ті, що характеризують наукову новизну та практичне значення одержаних результатів, отримані здобувачем особисто, що знайшло відображення в наукових працях, патентах та публікаціях:

математичне моделювання процесів стоку [22, 31];

розробка наукових основ використання стереофотограмметрії в інженерній гідравліці [1];

розробка методу визначення витрати води за допомогою фотограмметрії при реконструкції мостових переходів [2,7];

розробка методології застосування космічної інформації та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань мостових переходів [3,45];

розробка методів визначення підпору води, висоти набігання хвилі, визначення умовних рівнів води та побудови профілів живого перерізу за допомогою аерофотознімання [11,23,47,48];

розробка методу визначення глибин місцевого і загального розмивів при реконструкції мостових переходів аероінтеграційним методом [8,46];

розробка методу попередження руйнувань штучних споруд мостових переходів за допомогою космічної зйомки [19,28];

оцінка наслідків катастрофічних повеневих ситуацій на мостових переходах та їх прогнозування засобами ГІС [10,15,26];

космічний моніторинг мостових переходів під час надзвичайних ситуацій [21,29];

розробка нових технологічних схем обробки матеріалів аерокосмічної зйомки мостових переходів [20,25,26].

Ідеї співавторів наукових праць здобувача в роботі не використовувались оскільки виходили за рамки предмету дослідження.

Апробація. Основні положення і результати роботи доповідалися і були схвалені на міжнародних, республіканських та регіональних науково-технічних симпозіумах, конференціях і семінарах, в тому числі: міжнародний симпозіум АІПК «Мости. Взаємозв'язок між технологією зведення і конструкціями» м. Ленінград (СРСР) 1991р., 8-а Будапештська дорожня конференція «Автомобільні дороги і мости в Європі», Будапешт - Естергом (Угорщина) 2001р., ГГС-2000 «Проблеми гідравліки гідротехнічних споруд і потоків у відкритих руслах» спільне засідання РНК МАГД, ВНДІГ ім. Б.Є. Вєдєнєєва та СПбДТУ м. Санкт-Петербург 2000р. (Росія); ГЕО-2000 «Проблеми інженерної геодезії і національної інфраструктури геопросторових даних» КНУБА Київ 2000р. ; АВІА-2001, АВІА-2002 НАУ Київ; міжнародна науково-технічна конференція «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (м. Черкаси-1997р., м.Київ-1998р., м. Суми-1999р., м. Київ-2000р., м. Харків-2001р., м.Київ-2002р.), науково-технічна конференція « Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку», НТУ-ТАУ Київ, 1998р., семінар «Моніторинг потенційно-небезпечних об'єктів і територій ( ПНОТ ) і аналіз надзвичайних ситуацій засобами ГІС, ДЗЗ та комп'ютерного моделювання» УЦМЗР, 2002р., міжнародна науково-технічна конференція «Прогресивні технології і енергозбереження в дорожньому будівництві» НТУ-ТАУ Київ, 2001р., 3-й та 4-й Український міжгалузевий науково-практичний семінар «Сучасні проблеми проектування, будівництва та експлуатації споруд на шляхах сполучення» 2000, 2002 р.р., 147-й Український науковий семінар з гідравліки, 2000р., ІІІ-я міжнародна конференція «Прогресивна техніка і технологія», Севастополь 2002 р. , «Застосування супутникових технологій у транспортній галузі « НТУ-ТАУ Київ 2002р., міжнародна науково-теоретична конференція «Гідравліка (наука та дисципліна)» ВНДІГ ім. Б.Є. Вєдєнєєва та СПбДТУ м. Санкт-Петербург 2004р. (Росія) та на щорічних наукових конференціях професорсько-викладацького складу і студентів університету (НТУ м. Київ 1997-2005рр.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 48 друкованих робіт, в тому числі: одна монографія, п'ять деклараційних патентів на винаходи, 29 з них написано одноосібно. Список публікацій наведено в авторефераті і містить 48 наукових праць.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, семи розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 326 найменувань, 2 додатків і містить 300 сторінок основного тексту, в тому числі: 33 таблиці, 69 рисунків, всього 400 сторінок.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, сформульовано мету та задачі досліджень, викладена її наукова та практична цінність.

У першому розділі розглядається досвід використання дистанційного зондування Землі в наукових дослідженнях з метою удосконалення гідрологічних розвідувань при проектуванні мостових переходів. Зроблено критичний аналіз теоретичних досліджень і методів гідрологічних розвідувань мостових переходів. Установлені види робіт, що виконуються під час гідрологічних розвідувань. На основі аналізу розвитку дистанційного (космічного) зондування Землі з метою застосування в наукових дослідженнях доведено, що цьому питанню в багатьох розвинутих країнах приділяється значна увага на державному рівні і виділяються значні обсяги фінансування для його впровадження.

Фінансування програм дистанційного зондування в країнах, які займаються дослідженням та використанням космічного простору, є значним і складає 10-50% загальних обсягів фінансування космічних досліджень. Аналіз статистичних даних свідчить про те, що 40,3% потерпілого населення постраждало від повенів. Космічне зондування Землі частіше за все використовується для попередження цих явищ. Цей факт ще раз підтверджує доцільність застосування космічних знімань для вивчення гідрологічного стану мостових переходів, особливо в критичних ситуаціях.

Доведено, що вирішуючи глобальні проблеми за допомогою дистанційного зондування слід звернути увагу і на розв'язання задач регіонального характеру, невирішення яких наносить збитки

нашій державі, економіці та населенню. До зазначених задач слід віднести прогнозування витрат води та установлення розмірів повенів в районі мостових переходів, що мають місце під час стихійних лих. Проведений аналіз доводить можливість і необхідність застосування космічних знімань при гідрологічних розвідуваннях з метою проектування нових та реконструкції існуючих мостових переходів.

На Україні функціонує космічна система спостереження Землі « Січ « у відповідності до

Загальнодержавної національної космічної програми України, яка дозволяє отримувати інформацію для потреб країни. За п'ять років дії космічної програми України загальний обсяг даних дистанційного зондування Землі значно збільшився. Не дивлячись на те, що національний ринок послуг на дистанційне зондування Землі знаходиться на початковій стадії розвитку, слід відзначити, що дані, які надаються Національним космічним агентством України, можуть скласти основу інформаційного забезпечення при прогнозуванні і реагуванні на надзвичайні ситуації та при розв'язанні регіональних задач, зокрема пов'язаних з гідрологічними розвідуваннями мостових переходів.

Проведені раніше дослідження О.В. Андрєєвим, О.К. Біруля, В.О. Большаковим, Л.Г. Бегамом, Є.В. Болдаковим, М.М. Журавльовим, В.М. Поповим, Г.А. Федотовим та ін. з удосконалення гідрологічних розвідувань мостових переходів торкалися застосування традиційних методів натурних спостережень за водним потоком. Використанню аерометодів для цієї мети приділялась увага Б.К. Малявським, В.І. Федоровим, Н.Г. Шумковим, Г.А. Шуплецовим та ін. Питанню застосування дистанційного зондування Землі для потреб геодезії та гідрології присвячені роботи В.О. Борового, Г.П. Калініна, В.І. Лялько, А.Л. Ревзона, О.Д. Федоровського, D. Maindment, F. Olivera, H. Runge, M. Ruhй, E. Tate та ін. Проте не досліджувалося питання комплексного застосування аерокосмічних методів при гідрологічних розвідуваннях мостових переходів та при прогнозуванні їх підтоплень, викликаних стихійними лихами. Таким чином, доцільно розробити методологію комплексних гідрологічних розвідувань, яка поєднує методи дистанційного зондування Землі з стереофотограмметричним зніманням мостових переходів.

На основі аналізу, наведеного в першому розділі, робляться висновки, формулюється мета і задачі досліджень за темою дисертації.

У другому розділі проведено дослідження застосування космічних знімань в гідрологічних розвідуваннях при проектуванні мостових переходів. Автором розглядаються фізичні основи дистанційного зондування Землі. Розглянуто три методи дистанційного зондування: пасивне, яке використовує випромінювання, що здійснює саме тіло; пасивне, яке використовує відбите сонячне світло і активне, яке використовує радіолокатори, лідари та ін. Активне дистанційне зондування Землі може здійснюватися як з супутника, так і з літака. Доведено, що для обстеження гідрологічної мережі України, стану мостових переходів, попередження надмірних повеней, які можуть викликати значні руйнування і катастрофічні наслідки, сприятливим є активне дистанційне зондування Землі. Важливою передумовою застосування дистанційного зондування для вирішення цих задач є надійність розпізнавання об'єктів на аерокосмічних зображеннях земної поверхні.

Доведено, що оглядовість космічного зображення - найбільш важливий параметр космічного знімання, оскільки реалізує його основну перевагу - територіальну інтеграцію. Так, при плановому зніманні, нехтуючи кулястістю Землі, оглядовість визначається залежністю:

, (1)

де l₁, l₂ - розміри кадру; m - масштаб зображення.

З даної залежності випливає, що зміна розрізненності, масштабу і оглядовості космічних геоінформаційних субсистем призводить до відповідних змін інформаційних характеристик цих субсистем, в першу чергу, імовірностей правильного розпізнавання тих чи інших утворень, об'єктів та ін. Проте, для водних об'єктів зниження інформативності з погіршенням розрізненності відбувається повільно і не так швидко, як для інших формацій.

На підставі проведеного аналізу, слід відмітити, що застосування дистанційного зондування Землі з супутників з метою проведення гідрологічних розвідувань мостових переходів є одним з найбільш перспективних і, в той же час, найбільш багатоаспектних напрямків використання космічних методів. Для гідрологічних розвідувань використовують, в основному, наступні види інформації, які надходять з космічних систем: фотографічні зображення; телевізійні зображення (ТВ-зображення); інфрачервоні зображення в близькій зоні (до 1,3 мкм); інфрачервоні зображення в дальній зоні (до 8-12 мкм). За допомогою космічної інформації вирішувалися такі задачі: вивчалася гідрографічна мережа і водозбірні басейни в районі мостових переходів; установлювалися межі снігового покриву і його розповсюдження; вивчалися ділянки заплав біля мостових переходів, які затоплюються; природні процеси, пов'язані з діяльністю поверхневих вод. Установлені види робіт при гідрологічних розвідуваннях мостових переходів, для виконання яких доцільно використовувати космічні знімання та аерофотознімання з літака. Гідрографічна інформативність космічних знімків масштабу 1:100 000 - 1:200 000 і топографічних карт того ж масштабу приблизно рівна.

Доведено, що ефективним є використання космічних знімків для дешифрування снігового покриву в горах, оскільки воно супроводжується визначенням висоти снігової лінії за допомогою карти, на якій нанесені ізогіпси площ, занятих снігом, динаміки стану снігового покриву і прогнозових характеристик по об'єму води в снігу і об'єму стоку гірських рік. Установлена можливість

визначення об'ємів води W за площами станеного снігу F_ст , яка грунтується на пропорційності швидкостей зміни площ снігу тимчасовим змінам запасів води в ньому:

(2)

Так, за відомими значеннями запасів води в сніговому покриві, які були визначені методом дистанційного зондування, складено довгостроковий прогноз весняного стоку. Загальний шар весняного стоку у наближено виражено рівнянням:

(3)

Доведено, що фізичне значення параметру р₀ полягає в тому, що він дорівнює максимально можливому водопоглинанню в басейні, де W - об'єм води, що знаходиться на поверхні басейну.

За даними космічних спостережень установлений зв'язок (середнє відхилення точок від кривої 12%, максимальне - 40%) між розмірами підтоплень на гирловій ділянці і витратою води біля водпоста з врахуванням часу добігання.

Доведено, що ця залежність має прогностичний характер: за витратою води біля водпоста можна завчасно за час добігання оцінити площу та межі підтоплення на гирловій ділянці річки. Зазначені матеріали неможливо отримати іншим методом крім зйомки з космосу. Накопичення зйомок і удосконалення систем збору даних забезпечить більш обґрунтований аналіз результатів.

У третьому розділі розглядається застосування сучасних прогресивних методів обробки даних дистанційного зондування в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів, а саме: застосування електронних карт та прив'язка космічних зображень з використанням електронних карт. Удосконалена технологія прив'язки космічних зображень з використанням електронних карт. В основу ефективної реалізації кореляційно-екстремального пошуку однойменних елементів карти і знімку покладені конструктивні підходи, а саме: була використана особливість векторно-бінарного представлення елементів карти, що дозволило в десятки і сотні разів знизити обчислювальні витрати; при суміщенні залучалася інформація про ступінь співпадання напрямків меж об'єктів карти і знімку, що дало можливість значно підвищити надійність розв'язання поставленої задачі. Доведено, що використання даних космічних знімань в ГІС-технологіях має велике значення для більш швидкого впровадження космічної інформації в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів. Поява на ринку високоточної інформації з супутників створила основу для взаємозв'язку між технологіями ГІС та системами обробки і обслуговування інформації в області дистанційного зондування Землі. При гідрологічних розвідуваннях мостових переходів використовувалися ГІС, в основу яких покладені космічні знімки, а саме: в інформаційних аналітичних системах, за допомогою яких отримали інформацію про гідрологічну мережу, наявність мостових переходів та додаткову інформацію про зони підтоплення, площу яких неважко обчислити, а також стало можливим установити площі водозбірних басейнів; в інформаційних модельованих системах, що забезпечили побудову цифрових моделей місцевості.

Поряд з використанням ГІС застосовувалося моделювання процесів стоку з використанням космічної інформації. Враховувалися об'єми води на поверхні басейну, інтегруючі процеси вологості, випаровування і фільтрації, які є безпосередньо факторами стоку, не дивлячись на обмеження, пов'язані з короткочасністю затоплень. Для розробки методики визначення площ затоплень в районі мостових переходів використовувалися результати космічних спостережень. Доведено, що між поверхневим притоком води в річкову мережу q і об'ємом води W, що знаходиться на поверхні басейну, існує близький до функціонального зв'язок:

q = f (W) . (4)

З іншого боку, між площею басейну, покритою водою щ і W також є близький до функціонального зв'язок:

W = ц (щ) звідси q = ш(щ) . (5)

Для визначення притоку поверхневих вод в річкову мережу розв'язані дві задачі: 1) визначена частка площі басейну, покрита водою; 2) розкрита форма зв'язку між розмірами цієї частки площі і припливом води в річкову мережу. Перша задача розв'язана визначенням площ, покритих водою, за допомогою аерокосмічних методів. Друга задача розв'язана двома шляхами або їх поєднанням, перший з них полягав в теоретико-експериментальному обгрунтуванні форми зв'язку q = ш(щ), другий опирався на розв'язання зворотньої задачі - за спостереженнями щ і q установлювалася залежність щ(q). Між об'ємом води і площею покривання басейну водою установлений зв'язок:

, (6)

використовуючи очевидну умову, що , де - щоденні витрати води, отримали :

(7)

Для кожного паводку обчислювалися їх об'єми, а також і , потім установлю-валася залежність , за якою визначалися параметри a і b.

Друга задача прогнозу витрат зводилася до розрахунку за генетичною формулою стоку (інтеграл Дюамеля) і було одержано рівняння: (8)

Функції впливу в цих рівняннях знаходили, оптимізуючи параметри в формулах кривих добігання, які застосовувалися при розрахунках стоку.

У четвертому розділі висвітлюються теоретичні основи застосування аерометодів в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів. Визначення типу руслового процесу і оцінка планових руслових деформацій здійснювалися з залученням аерокосмічної інформації, отриманої через певний проміжок часу. Співставленням аерофотознімків різних років доведено, що зміщення брівок берегів в плані на середніх і великих річках досягає 15 м/рік. За матеріалами аерофотозйомки масштабу 1:10000 визначені планові зміщення в середньому 5 м/рік, при цьому період приймався не менше 50 років, а максимальна похибка в визначенні шуканої величини була не більше 10%. Доведено, що чим крупніше масштаб знімання і більший період співставлення, тим точніше визначалися розміри планових деформацій русла. Вибір масштабу аерофотознімання визначається шириною долини річкової системи. Необхідно, щоб на матеріалах аерофотознімання можна було достатньо надійно віддешифрувати межі річкової долини, розповсюдження терас, положення русла в плані, в багаторічному розрізі, основні морфологічні утворення русла. Виходячи з досліджень рекомендовані такі масштаби: для великих рік (наприклад р. Дніпро) 1:100000-1:50000; для середніх рік (наприклад р. Південний Буг) 1:50000-1:25000, для малих річок (наприклад р. Ятрань) 1:25000-10000.

Для визначення крупності руслових відкладень запропоновано спосіб, який ґрунтується на використанні мікрофотометрування аерофотознімків з зображенням ділянок русел і подальшій статистичній обробці отриманих регістограм.

З метою оцінки впливу потоку на насип і інші берегові споруди, обґрунтування вибору напрямку осі мостового переходу, розрахунку пропускної здатності стиснутого спорудами русла і для вирішення цілого ряду інших завдань використовувалася кінематика річкового потоку. Для отримання планів поверхневих швидкостей течії запропоновано аерогідрометричний метод, перевагами якого є його оперативність, надійність і можливість виконання в короткі терміни великих об'ємів робіт, що особливо важливо при повеневому режимі рік. Поверхневі швидкості визначалися шляхом вимірювання зміщення деталей водної поверхні (спеціальних поплавків m₁,m_2,…..m_n , які відображені на суміжних аерофотознімках Р₁ і Р₂, що перекриваються .

Таким чином, при побудові стереоскопічної моделі за такою парою аерофотознімків, перетин променів, які проектують зміщені точки, відбудеться в залежності від напрямку знімання вище або нижче від дійсної поверхні води.

Тому, при стереоскопічному розгляді пари знімків, поверхня води буде здаватися опуклою або угнутою тим більше, чим більше швидкість течії. Користуючись цим явищем, зміщення точок під дією течії можна виміряти за стереофотограмметричним методом з точністю 0,03-0,05мм в масштабі аерознімків. В цьому випадку різниці поздовжніх паралаксів p, виміряних вздовж напрямку течії відповідають величинам l.

Зміщення точок на аерофотознімках під дією течії аналогічні різницям поздовжніх паралаксів при відміні поверхні фотографування від площини.

Таким чином, при стереофотограмметричному методі вимірювань одержана формула для визначення значень швидкості течії V_і :

(9)

де Н - висота польоту,м; f_k - фокусна відстань аерофотоапарата,мм; t - інтервал часу між моментами знімання, с. Дана закономірність використовувалася для визначення поверхневих швидкостей течії. На топоплані намічалися створи скидання поплавків, а також розраховувався масштаб аерофотозйомки. Внаслідок цього був отриманий план поверхневих швидкостей течії в траєкторіях переміщення поплавків, в ізотахах та у векторній формі. Плани течії використовувалися для розрахунків швидкості течії.

Однією з найважливіших характеристик водного потоку, з визначенням якої під час гідрологічних розвідувань виникають певні труднощі, є витрата води. Розрахункова схема для визначення витрати води за допомогою аерофотознімань подана на рис.4.

Площа живого перерізу визначається за формулою:

(10)

де величини h₁, h₂,…. h_n визначаються таким чином: h₁ = h^'₁+ Дh , h₂ = h^'₂+ Дh і т.п., а величини h^'₁ , h^'₂ , h^'_n визначаються під час знімання за формулою:

, 9 (11)

де і залежить від відстані точки, яка розглядається від центру знімку; p- різниця поздовжніх паралаксів точок, що знаходяться на відстані h одна від одної по вертикалі; Р - поздовжній паралакс точки, глибина якої визначається.

Величина h визначається за формулою:

, (12)

де b - базис фотографування.

У випадку аерофотознімання мостового переходу відстань a₁ з стереомоделі визначається за формулою:

, (13)

де - відстань між точками. Тоді площа живого перерізу визначається за допомогою наступної формули:

(14)

Витрата води під час повені визначається закономірністю:

(15)

Підставивши в дану формулу значення швидкості, яка визначається з виразу (9), отримаємо кінцеву формулу для визначення витрати води:

(16)

У випадку значних глибин на місці переходу через водотік під час межені, коли виникають труднощі при фотограмметричному визначенні глибини потоку, а також при значній його забрудненості, витрата води визначається аерометодами з застосуванням глибинних поплавків-інтеграторів. В основу аероінтеграційного методу визначення витрат води покладено поплавочну інтеграцію швидкостей течії за глибиною потоку.

Установлено, що відхилення середньої швидкості спливання поплавка Дс_h в шарі глибиною h від її граничного значення c складає:

(17)

де с_n - середня щільність поплавка; g - прискорення вільного падіння; z - відстань по вертикалі.

Виходячи із (17) було доведено, що швидкість спливання на глибоких водотоках є величиною постійною, рівною с.

На основі проведених теоретичних досліджень при використанні аероінтеграційного методу визначення витрат води, отримана залежність для обчислення глибин в точках промірних вертикалів:

(18)

де - елементарна витрата води; k - коефіцієнт дорівнює 0,85.

Таким чином, для визначення витрати води запропонована формула:

(19)

У випадку, коли аероінтеграційний метод визначення витрати води не можна застосувати, пропонується аерогідрометричний метод визначення витрати води за поверхневими швидкостями. Його реалізація на широких річках інколи пов'язана з труднощами визначення місця розміщення поплавків, тому область застосування обмежується річками з шириною 300-400 м. При вимірюванні об'єму витрати води аерогідрометричним методом запропонована наступна розрахункова формула:

(20)

де k - коефіцієнт переходу від фіктивного ( підрахованого за поверхневими швидкостями ) до дійсного обсягу води на гідростворі, V - об'єм фіктивного стоку ріки за період між моментами аерофотозйомок поплавків; t₁, t₂ - час першої і другої аерофотозйомок, відрахований від моменту закінчення скидання поплавків.

Було установлено, що абсолютна величина похибки визначення витрати води склала:

(21)

де м - відносний градієнт загального стиснення планового струменя; 0,5 - поздовжня координата центра ваги моделі фіктивної витрати води.

З виразу (21) було установлено, що при розташуванні скидного створу на відстані від гідроствору L_y = 0,5(t₁ + t₂) , величина д_0Q перетворюється в нуль,тобто при суміщенні лінії скидного створу з її розрахунковими координатами L_y - 0,5(t₁ + t₂) істотних похибок у вимірюванні витрат води не виникає.

Під час повені виникає необхідність у визначенні умовних відміток рівнів води, оскільки різниця між відмітками рівнів води під час повені та під час межені характеризує висоту затоплення заплави. Умовні відмітки рівнів води отримані з виразу:А_умов=А_Rp+h_сер , (22)

де А_Rp - відмітка умовного початку висот;

h_сер - середнє з декількох вимірювань перевищення початку висот над горизонтом води, який спостерігається.

Похибка при визначенні перевищень початку висот над горизонтом води визначалась за формулою:

(23)

де n^/- кількість стереопар в секції; k^/ - кількість маршрутів; m_Дp - cередньоквадратична похибка вимірювань виправленої різниці поздовжніх паралаксів, яка дорівнює m_Дp = ± 0,03 - 0,04мм. Похибка при визначенні умовних рівнів води склала m_A = ± 2 cм.

У п'ятому розділі подано застосування аерометодів при обстеженні та реконструкції мостових переходів. Автором розглядається проблема визначення величини руслових деформацій, викликаних побудовою мостового переходу, як в руслі річки, так і на заплавних ділянках отворів мостів. Подані залежності для визначення величини загального розмиву під час повені фотограмметричним методом.

Розроблена методика установлення розмиву на заплавних ділянках за стереомоделлю заплави на мостовому переході. Для визначення побутової глибини h_п, яка має місце до побудови мостового переходу, використовувався метод глибинних поплавків-інтеграторів і обчислення здійснювалося за формулою:

(24)

де L- відстань від точок падіння поплавків у воду до точок виходу рідкого індикатора на поверхні води; V_{i пов.}- поверхнева швидкість на вертикалі, м/с; k- відношення V_cер./ V_{i пов.}, V_cер - середня швидкість потоку, м/с. Указані величини визначаються за матеріалами аерофотознімання ділянки. Установлення глибини h_р після розмиву здійснюється за формулою (24). Користуючись даними досліджень та стереоскопічною моделлю переходу, установлена площа розмитого русла з урахуванням загального та місцевого розмивів

, (25)

де a_i - відстані між вертикалями, в яких вимірюється глибина.

Об'єм грунту, що виноситься з під штучної споруди, визначається за формулою:

, (26)

де l - довжина ділянки під мостом, на якій відбувається розмив.

Розроблено метод визначення підпору води за матеріалами аерофотозйомки на існуючих мостових переходах. За допомогою стереоскопічної моделі мостового переходу отримана закономірність для визначення підпору води:

(27)

де Др^/ - різниця поздовжніх паралаксів, виміряна відносно початкової точки; И - число заплав (одна або дві); в - коефіцієнт стиснення потоку; k^// - відносна довжина верхових струмененаправляючих дамб ( k=l_в/l_o ); l_в - довжина верхової дамби; l_o - довжина водної воронки перед мостом; Д^/х₁, Д^/у₁ - різниця координат по осі х та у при визначенні ширини розливання річки; Д^/х₂, Д^/у₂ - різниця координат по осі х та у при визначенні отвору моста; Д^/х₃, Д^/у₃ - різниця координат по осі х та у між початковою точкою, яка вибирається в точці урізу води вище мостового переходу і точкою урізу води нижче мостового переходу.

Висота набігання хвилі на заплавний насип визначається за формулою:

(28)

де к_ш - коефіцієнт відносної шорсткості укосу; m - коефіцієнт закладання укосу.

Наведена закономірність (28) дає можливість установити ступінь заливання водою заплавних насипів та підходів до штучної споруди мостового переходу. Похибки визначення висоти підпору, висоти набігання хвилі та висоти насипу при зніманні з висоти 250м склали ± 5 см.

У шостому розділі подані результати експериментальних досліджень застосування космічного знімання та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань, для отримання яких були використані геоінформаційні системи повенів для Українських Карпат за період 1998 - 2001 рр. За даними космічної зйомки установлені величини рівнів води в річках Українських Карпат під час повеней 1998 та 2001рр., які подані на рис.6.

За наведеними даними космічної зйомки виявлена реальна картина підтоплення на заплавах річок в кожному із районів Закарпатської області під час стихійного лиха в 1998 та 2001 роках .

Доведено, що матеріали космічного знімання можуть бути використані для вивчення особливостей гідрографічної мережі Карпат та інших регіонів установлення меж водозбірних басейнів та прогнозування площ, які будуть затоплені.

За даними експериментальних досліджень була установлена повторюваність витрат води в р.Тиса поблизу м.Тячева, були побудовані крива розподілу витрат та кумулятивна крива. Із побудованих кривих отримано витрату, імовірність появи якої складає 50% і становить 70 м³/с, разом з тим, на протязі року може з'явитися витрата, яка перевищує середню витрату в 20 раз і більше, витрата з 85%-ою імовірністю появи складає 230 м³/с. Крім переліченого, отримані криві наглядно характеризують повторюваність витрат в різних діапазонах, що дає можливість оцінити витрати тягнених наносів на цій ділянці річки.

Аерофотознімання, які проводилися на річці Південний Буг, підтвердили ефективність застосування аерометодів в аерогідрологічних розвідуваннях нових та існуючих мостових переходів. Аерометоди використовувалися для визначення імовірностних характеристик водного потоку, а саме витрат води, положення рівнів, швидкостей течії . На зазначеному мостовому переході була визначена площа живого перерізу річки Південний Буг, яка склала 48,5 м². Витрата води на період проведення експерименту дорівнювала 97 м^з/с. Розроблена методика проведення спостережень за річками та мостовими переходами застосована на практиці.

У сьомому розділі розглядається практичне застосування результатів досліджень в гідрологічних розвідуваннях при проектуванні нових та реконструкції існуючих мостових переходів. Подана технологічна схема обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів, яка передбачає використання стереозйомки та аерометодів. Запропоновану обробку матеріалів розвідувань здійснювали двома способами: аналоговим з використанням стереоанаграфа і аналітичним з використанням стерео-компаратора в залежності від різних природних умов. Обробка матеріалів космічного знімання в Карпатах здійснювалася за допомогою програмних пакетів Erdas Imagine, АrсVіеw та АrсІnfо. Розроблено алгоритм процесу моделювання повеневої ситуації на мостових переходах. Розповсюдження цих даних по всій довжині ріки, давало уявлення про затоплення всіх мостових переходів під час повені на даний час. Базовою ГІС-платформою, на якій проводилася реалізація

Розроблена методика просторового аналізу наслідків катастрофічних гідрологічних ситуацій на мостових переходах засобами ГІС дозволила отримати такі результати: прийнятий оптимальний алгоритм аналізу забезпечує оперативність, наочність і необхідну точність оцінки наслідків надзвичайної ситуації в районі мостових переходів, як в умовах дефіциту вихідних даних, так і при наявності даних детальних гідрологічних прогнозів; створена технологія прогнозування площ повеневого затоплення втілена в практику; запрогнозовані площі (мостові переходи), які могли бути затоплені при майбутніх катастрофічних повенях, що дало змогу оцінити ефективність існуючих гідротехнічних споруд та розробити заходи по їх покращенню; визначені величини підтоплення мостових переходів h (табл.1) на річках Прикарпаття та Закарпаття. В табл.1 подані Q_max і Q_min - максимальна і мінімальна витрати, С_п.з. - ширина затоплення, в - ширина русла і V_max - максимальна швидкість течії.

Таблиця 1. Величини підтоплення мостових переходів для річок Прикарпаття та Закарпаття

№ п/п	Назва ( річка-пункт)	Qmax , м3/с	Qmin , м3/с	Сп.з., м	в , м	Vmax , м/с	h , м
1	Боржава - Шаланки	466	1,19	20	20	3	7,72
2	Латорица - Чоп	653	2,66	30	30	3	7,22
3	Тересва - Усть-Чорна	469	0,40	40	30	3	4,46
4	Ріка - Міжгір'я	735	0,29	50	50	3	4,69
5	Стрий - Верхнє Синьовидне	2610	1,56	150	100	3	6,95
6	Дністер - Заліщики	8040	6,98	250	200	3	11,99
7	Теребля - Колочава	330	0,75	40	35	3	2,92
8	Уж - Ужгород	1680	0,50	250	50	3	3,73
9	Сірет - Сторожинець	816	0,10	45	20	3	8,36
10	Прут - Чернівці	5200	1,90	400	100	2	10,39
11	Дністер - Самбір	702	0,05	40	20	3	6,96
12	Дністер - Галич	4040	6,53	170	100	3	9,95

Користуючись даними космічної зйомки побудована залежність між шириною підтоплення заплави та глибиною підтоплення в районі мостового переходу на ділянці річка-пункт: Тиса-Вилок при ширині заплави в = 50 м та максимальній швидкості води під час повені V_max: 1 - V_max = 4 м/c ; 2 - V_max = 3 м/c ; 3 - V_max = 2 м/c що дає можливість прогнозувати величину підтоплення мостового переходу під час катастрофічної повені.

На основі інтегрального рівняння Дюамеля створена математична модель гідрографа повені (8), яка дає можливість слідкувати за всією динамікою проходження повеней в районі мережі мостових переходів. Використовуючи дані космічної інформації та аерофотознімань, були побудовані гідрографи повені для річок Тиса, Дністер, Прут ( рис.9).

Найкраще співпадання максимумів повені мало місце при використанні даних про покриття снігом, отриманих за аерофотозйомками. Розрахунки максимальних витрат з залученням космічних даних про покритість водозборів снігом дали незначні похибки: 9% - басейн першої річки, 3% - басейн третьої річки. Виконано аналіз вартості аерогідрометричних робіт, які передбачають визначення витрат води на відповідних гідростворах річок. Вартість аерогідрометричних робіт складається з витрат на виконання цих робіт та вартості холостих перельотів від створу до створу і вартості наземних робіт. Оскільки останні складають, як правило, не більше 5-10% загальної вартості робіт, основним показником собівартості авіавимірювань є витрати на виконання льотно-знімальних робіт.

Запропоновані схеми виконання аерогідрометричних робіт дають можливість досягти високих показників ефективності проведення аерогідрометричних робіт. Тільки на прикладі впровадження окремих стадій розробленого методу економія на одному аерогідрометричному кущі складає 30000 грн. на рік. Економія в цілому для держави від застосування розробленого комплексного методу гідрологічних розвідувань мостових переходів за рахунок запобігання руйнуванням мостових переходів на автомобільних дорогах в Закарпатській області складає 36532500 грн на рік.

Загальні висновки

1. Вирішена важлива народногосподарська проблема попередження руйнування мостових переходів під час катастрофічних повеней шляхом застосування нових методів гідрологічних розвідувань і гідравлічних розрахунків для підвищення їх ефективності і надійності.

2. Внаслідок проведеного аналізу показано, що на Україні, особливо в Закарпатті, має місце велика кількість руйнувань мостових переходів, викликаних стихійними лихами, а також недостатньою надійністю раніше застосованих методів гідрологічних розвідувань. Для установлення гідрологічної ситуації на всій річковій мережі регіону, необхідна розробка методології вишукувань, які є складовою автоматизованого проектування доріг та мостових переходів та базуються на сучасних прогресивних технологіях.

3. Доведено, що в інженерно-гідрологічних вишукуваннях мостових переходів, сучасною прогресивною технологією є застосування дистанційного зондування Землі з космічного супутника та літака, яка вперше використана для загальної оцінки в районі мостового переходу умов поверхневого стоку, вивчення особливостей гідрографічної мережі і водозбірних басейнів, картографування меж снігового покриву, розмірів повеней.

4. Вперше розроблена методологія гідрологічних розвідувань мостових переходів, яка є комплексом методів космічного знімання та аерофотозйомки, і яка використовувалася для визначення розрахункових імовірнісних величин: рівнів і витрат води, швидкостей течії.

5. Запропоновано новий метод прогнозування та просторового аналізу за матеріалами космічної інформації катастрофічних гідрологічних ситуацій на мостових переходах на протязі всієї річки. Розраховані висоти підйому води на мостових переходах та установлені значення висот захисних дамб. Розраховані висоти підтоплення мостових переходів для річок Закарпаття та Прикарпаття, а також площі підтоплення під час катастрофічної повені в залежності від максимальної витрати води на водпосту. Розроблений новий метод дозволяє простежувати і розраховувати щоденні зміни у розвитку повеневої ситуації, оцінювати час та глибину затоплення кожної одиниці площі заплави, кожного мостового переходу. Метод реалізовано на базі функцій просторового аналізу ГІС ArcInfo та ArcView.

6. На основі даних дистанційного зондування поверхні водозбірних басейнів розроблена нова математична модель процесів стоку для прогнозування витрат води під час повені . Здійснений математичний опис гідрографу стоку для річок: Тиса, Дністер, Прут за допомогою інтеграла Дюамеля та матеріалів аерокосмічного знімання, що дозволило визначити площі водозбору, які покриті снігом.

7. Доведена ефективність застосування аерометодів для вивчення руслового процесу, а саме для оцінки планових деформацій річкового русла. За допомогою аерометодів здійснювалася також оцінка крупності руслових відкладень. Удосконалено метод дослідження кінематики потоку на річках, який дозволив визначати поверхневі швидкості водного потоку. Установлені величини масштабів аерофотозйомки, при яких застосування аерометодів в гідрологічних розвідуваннях є ефективним.

8. Розвинена та узагальнена теорія визначення витрати води інтеграційним методом на ділянці мостового переходу, яка базується, з одного боку, на застосуванні методів стереофотограмметрії, з іншого, на застосуванні аерофотознімань. Визначені граничні можливості застосування аерогідро-метричного методу.