СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГИДРОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА ЗАТОРООПАСНЫХ УЧАСТКАХ РЕКИ
METHOD OF PREDICTING HYDROLOGIC ENVIRONMENT ON OBSTRUCTION-HAZARD PARTS OF RIVER

Изобретение относится к способам прогнозирования гидрологической обстановки на затороопасных участках рек с применением комплекса геофизических методов с привязкой к местности с помощью топографической привязки (GPS).
Исследования по изучению ледяного покрова и заторов на реках проведены авторами Бузин В.А., Зиновьев А.Т. Анализируя их работы, следует, что основными факторами, влияющими на процессы заторообразований, являются рельеф русла реки, мощность донных отложений, уровень воды, водопропускная способность русла реки, толщина и строение ледяного покрова и мощность снежного покрова (см. Ледовые процессы и явления на реках и водохранилищах. Методы математического моделирования и опыт их реализации для практических целей (обзор современного состояния проблемы): монография / В.А. Бузин, А.Т. Зиновьев. - Барнаул: Изд-во ООО «Пять плюс», 2009 г. - 168 с.).
Известен способ исследования рельефа речного дна и его деформации с применением георадара и GPS приемника с привязкой к местности для последующего хранения и использования (см. KR №20040092508 (А), G01V 3/00, дата подачи 04.11.2004 г.), который заключается в следующем: георадар, состоящий из блока управления передачи/приема сигналов, устанавливается на водный транспорт. Измерения проводятся с поверхности воды. Обмен данными между георадаром и GPS приемником производится с помощью блока обработки информации, который включает в себя устройства для хранения данных топографической информации и местоположения, карту памяти для хранения электронной карты, программное обеспечение для создания карты рельефа речного дна и выходной блок для вывода карты рельефа речного дна. Способ позволяет изучить рельеф речного дна, при этом не измеряет мощность донных отложений.
Известен способ определения толщины морского льда (см. SU №1818607, G01S 13/95, 30.05.1993), заключающийся в излучении электромагнитных зондирующих импульсов метрового диапазона в направлении льда в ортогональных плоскостях поляризации, приеме отраженных сигналов в тех же плоскостях поляризации, объединении сигналов обеих поляризаций и измерении для объединенного сигнала временного интервала, по которому определяют толщину льда. Способ, прежде всего, предназначен для определения толщины морского и пресноводного льда, притом с борта летательного аппарата, но также не пригоден для определения пропускной способности русла реки.
Известен способ исследования речного льда и определения рельефа речного дна методом георадиолокации (см. D. Healy, C. Katopodis, P. Tarrant. Application of Ground Penetrating Radar for River Ice Surveys / CGU HS Committee on River Ice Processes and the Environment «14th Workshop on the Hydraulics of Ice Covered Rivers Quebec City», June 19-22, 2007. - Режим доступа http://cripe.civil.ualberta.ca/downloads/14th_workshop/healy-et-al-2007.pdf), согласно которому применяются георадары с частотами антенн 100 и 500 МГц (например, типа PulseEkko ProTM). При этом низкие частоты используются для исследования глубины и рельефа речного дна, а высокие - для толщины ледяного покрова реки. Измерения проводятся в контакте со средой в непрерывном режиме с частотой записи трасс 1/10 секунды с возможностью просмотра данных в реальном времени на переносном регистрирующем устройстве. При этом оно интегрировано с дифференциальной системой глобального позиционирования (DGPS). Для обработки георадарных данных используется специализированное программное обеспечение, в т.ч. с целью построения графика данных. Способ предназначен для определения рельефа речного дна при непосредственном контакте с поверхностью ледяного покрова. При этом изображения георадарных данных не могут быть интерпретированы без предварительного знания о среде при исследовании, что требует проведения сложных исследований и затраты дополнительного времени.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, выражается в выявлении причин снижения водопропускной способности русла рек и определении локализации заторных перемычек до времени прохождения весеннего ледохода.
Технический эффект, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в определении прогнозных данных по затороопасным участкам рек при разработке и оптимизации технологических решений при проведении превентивных мероприятий для обеспечения пропускной способности рек и исключения наводнений в период паводков.
Для решения поставленной задачи способ прогнозирования гидрологической обстановки на затороопасных участках рек включает георадарные исследования геометрии дна, снежного покрова бассейна рек и ледяного покрова рек, при этом на выбранных затороопасных участках рек в летний период проводят георадарное исследование геометрии дна и распределения мощности донных отложений, а в предпаводковый период георадарными исследованиями определяют мощность снежного покрова бассейна рек, а также строение и толщину ледяного покрова рек, после чего путем совмещения полученных георадарных данных прогнозируют гидрологическую обстановку на конкретных затороопасных участках рек. Кроме того, перед проведением георадарных исследований геометрии дна и распределения мощности донных отложений, снежного покрова бассейна рек, толщины и строения ледяного покрова рек строится модель исследуемого разреза на основе электрофизических данных.
Для предупреждения негативных последствий паводков необходимо обеспечить полноту и достоверность информации о локализации напряженно-деформированного льда и строении ледяного покрова рек в зависимости от пропускной способности русла реки в предпаводковый период. Одним из перспективных инструментов получения такой информации является георадарное профилирование, которое позволяет оперативно изучать особенности ледяного покрова с проведением масштабных измерений.
Опыт исследования причин заторобразований показывает, что для успешного прогнозирования заторов необходимы данные не только о ледовой обстановке, но и информация о рельефе дна, конфигурации русла, от которых зависит процесс движения льда по реке в период паводков. Для более полного изучения факторов, определяющих процессы заторообразований, необходимо разработать рациональный комплекс геофизических методов.
Заявляемое изобретение направлено на отображение объектов профилирования, а именно толщину снежно-ледяного покрова, глубину и рельеф русла реки, распределение мощности донных отложений, что позволяет оценить гидрологическую обстановку на затороопасных участках, складывающуюся к началу прохождения весеннего ледохода.
Разработанный комплекс геофизических методов позволяет определять набор информативных параметров, таких как распределение ледяного покрова в русле реки и его толщину, рельеф русла с определением местоположения перекатов и плесов, с целью определения водопропускной способности русла и определить объем ледяного покрова на затороопасных участках, в том числе идентифицировать строение речного льда.
Опыт реализации показывает, что важное значение для эффективности прогноза имеет наличие связи с региональным гидрометеорологическим центром, обеспечивающим дополнительными сведениями по уровню воды в летний, зимний и весенний периоды. Данные параметры используются для совмещения результатов георадиолокации, полученных в различные времена года.
По результатам совмещения данных определяются прогнозные параметры по водопропускной способности русла рек. Например, низкий уровень воды в реках в весенний период может способствовать к оседанию ледяного покрова на дно, что уменьшает водопропускную способность русла, тем самым возникает вероятность места образования скоплений льда на затороопасном участке.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают комплексное исследование гидрологической обстановки на затороопасных участках рек и позволяют выработать прогнозную оценку при применении превентивных мер по исключению наводнений в период паводков.
Способ по заявляемому решению реализуется поэтапно.
На первом этапе проводится изучении геометрии дна и распределения мощности донных отложений. При изучении геометрии дна и распределения мощности донных отложений применяется георадар с антенным блоком, со спектром частот 50 МГц. Навигация георадарного профиля на местности выполняется с помощью картплоттера. Маршрут измерений производят галсами и намечают с требуемой частотой, которая зависит от детальности исследования и закладывается в программное обеспечение GPS приемника до начала измерений. Георадар прикрепляется к водному транспорту. Скорость водного транспорта при движении должна составлять не более 15 км/ч. Измерения проводятся в режиме непрерывной записи в контакте со средой, т.е. в воде. Для записи и последующей обработки полевых материалов используется штатное программное обеспечение георадара. В результате измерений русла реки получают полевые материалы в виде геофизических файлов.
Программным обеспечением также производится оцифровка отраженных сигналов глубины и рельефа дна и мощности донных отложений с последующим выделением границ и учетом скорости распространения электромагнитной волны. Далее после выделения границ осуществляется экспорт данных о слоях в текстовый формат с определенным шагом представления. С помощью графического пакета строится график глубины и рельефа русла в соответствии с протяженностью профиля. В итоге получается оцифрованный георадарный разрез глубины и рельефа русла реки и распределение мощности донных отложений.
Второй этап включает измерение мощности снежного покрова в бассейне рек. Измерение мощности снежного покрова бассейна рек проводится в предпаводковый период. Для измерений применяется георадар с антенным блоком со спектром частот 700 МГц, функционирующим на базе штатного программного обеспечения.
Измерения проводятся в дистанционном стационарном режиме в дискретных точках снегомерных измерений. Антенный блок георадара поднимается на высоту 1,5 м над поверхностью снежного покрова. В непрерывном режиме записи электромагнитных сигналов, отраженных от верхней и нижней границ снежного покрова, регистрируются радарограммы снежного покрова в снегомерных точках. Из радарограмм извлекается информация о разности времени (Δt) между сигналом, отраженным от верхней границы, и сигналом, отраженным от нижней границы. С помощью формулы  вставляя в нее информацию о времени (Δt), рассчитывается мощность снежного покрова в определенной точке. Диэлектрическая проницаемость снега  считается равной 1,2. Количество снегомерных точек определяется гидрологическим требованием. Мощность исследуемого снежного покрова бассейна рек составляет 0,30-20,0 м. Погрешность измерения мощности снежного покрова 25%.
Третий этап включает измерения толщины и строения ледяного покрова рек, которые проводятся на затороопасных участках поперечными профилями в предпаводковый период, совпадающими по направлению с профилями георадарных съемок в летний период.
Для измерений применяется георадар с антенным блоком со спектром частот 400 МГц, позволяющий проводить измерения льда толщиной от 0,1 до 20,0 м с погрешностью в пределах ±5%, при этом скорость измерения может составить до 100-150 км/час. Измерения могут проводиться как непосредственно с поверхности ледяного покрова реки, так и бесконтактным способом на высоте до 20-30 м, например, с борта летательного аппарата.
Георадарные съемки данного этапа основаны на непрерывном измерении толщины речного льда с распознаванием строения по указанным маршрутам полета, с автоматической привязкой точек зондирований посредством встроенной системы топографического позиционирования (GPS). Для обработки и интерпретации радарограм применяется штатное программное обеспечение георадара.
Штатным программным обеспечением георадара производится оцифровка отраженных сигналов верхней и нижней границы ледяного покрова рек с последующим выделением и учетом скорости распространения электромагнитной волны.
Из-за сложности выполнения полета летательного аппарата на заданной высоте происходит искажение визуализации георадарных данных, для корректировки которых применяется процедура выпрямления программного обеспечения (см. Федорова Л.Л., Попов В.В. Программа обработки данных радиолокационных зондирований ледяного покрова водоемов в дистанционном режиме "Радар-Лед". - М.: ВНТИЦ, 2004 г. - №50200401317).
Далее после выделения границ ледяного покрова осуществляется экспорт данных о слоях в текстовый формат с определенным шагом представления. С помощью графического пакета строится график толщины ледяного покрова в соответствии с протяженностью профиля.
На четвертом заключительном этапе для выявления и изучения снижения водопропускной способности русла выполняется совмещение данных измерений толщины и строения ледяного покрова, глубины и рельефа русла, мощности донных отложений. Совмещение может проводиться с помощью графического пакета по данным георадарной съемки, проведенной в разные сезоны года.
При исследовании участка реки Лена протяженностью 1,6 км по георадарным данным были получены следующие показатели: максимальная глубина составляла 9 м, среднее значение толщины ледяного покрова - 1,42 м, на отрезке 0,8 км-1,4 км был выявлен песчаный нанос на глубине от 2 до 8 м. В результате снижения уровня воды на 1,3 м за один месяц на отрезке 1,15 км-1,4 км произошло оседание сформированного ледяного покрова на песчаный нанос, что свидетельствовало об уменьшении водопропускной способности русла и возможном образовании заторной перемычки.
Использование полученных параметров позволяет перейти к прогнозированию паводковой ситуации на затороопасных участках рек. Данные прогнозирования используются для оптимизации технологических решений при проведении превентивных мероприятий по ослаблению ледяного покрова рек и расчистке русла от донных отложений для обеспечения расчетной пропускной способности реки, в отличие от традиционного углубления русла по фарватеру для обеспечения судовождения.
Определение мощности наносов и картирование донных отложений в затороопасных участках рек, в комплексе параметров измерений характеристик ледяного и снежного покрова рек, и его пропускной способности по сечению позволит организациям гидрометеослужб обоснованно подходить к прогнозированию опасных заторообразований, приводящих к наводнениям.