Прогнозирование динамики вод местного стока при таянии снега

УДК 502.58

Прогнозирование динамики вод местного стока при таянии снега

ISSN 1996-8493

© Технологии гражданской безопасности, 2014

А.В. Калач, А.А. Чудаков, Е.В. Афанасьева

Аннотация

В рамках данной работы представлен прогноз движения вод местного стока при таянии снега. Прогноз получен с применением универсальной математической модели распространения поверхностных вод при весеннем половодье. В качестве примера выбран населенный пункт с. Шуберское Воронежской области. Модель обладает достаточной универсальностью, что позволяет учесть динамику таяния снега, гидрологические свойства местности, метеорологические условия.

Ключевые слова: поверхностные воды; сток; рельеф местности; динамика таяния снега.

Prediction of Water Local Traffic Runoff from Snowmelt

ISSN 1996-8493

© Civil Security Technology, 2014

A. Kalach, A. Chudakov, E. Afanaseva

Abstract

In this work presents a forecast of water movement of local runoff from melting snow. Forecast obtained using a universal mathematical model of propagation of surface waters during the spring flood. As an example, selected from the town. Shuberskoye Voronezh region. Model has sufficient versatility to allow to take into account the dynamics of the melting snow, hydrological properties of terrain, weather conditions.

Key words: surface water; runoff; topography; the dynamics of melting snow.

Весной при наступлении первых потеплений происходит масштабное таяние снега, что приводит к затоплению территорий значительной площади [1]. Причиной тому является движение поверхностных вод, не успевающих стечь в водоемы, уйти в грунтовые воды, испариться.

Для прогнозирования динамики движения поверхностных вод необходимо учитывать следующие факторы: рельеф местности, впитывающие свойства грунта, начальное состояния снежной массы, динамику таяния снега, осадки, влажность воздуха. Прогнозирование динамики движения поверхностных вод возможно путем компьютерного моделирования [2, 3].

В результате разработана оригинальная программа «Программа для моделирования движения вод местного стока» (далее — программа), предназначенная для моделирования динамики вод местного стока при масштабном таянии снега или интенсивного поступления жидкости с ливневыми дождями [4].

В работе в качестве примера демонстрации возможностей предлагаемой модели была выбрана местность с высоким ежегодным риском затопления — вблизи населенного пункта с. Шуберское Воронежской области. Согласно статистическим данным, за последние 10 лет в данной местности затопление может происходить при весеннем таянии большого объема снега.

Технологии гражданской безопасности, том 11, 2014, № 2

/93

На рис. 1 приведен фрагмент программы — карта с. Шуберское Воронежской области и карта затопления в первый день при таянии снега в установленном режиме.

Результатом работы программы моделирования движения вод местного стока является определение вероятных мест скопления талых вод путем компьютерного моделирования.

Для получения результата в программу вводится информация о рельефе заданной местности. В процессе работы программа просчитывает течение воды под действием разности уровней жидкости и высот рельефа. Результаты расчетов выводятся на карту затопления местности, помимо этого на ту же карту

выносится зависимость уровня воды от времени в заданных точках (например, населенных пунктах, железнодорожных станциях, дорогах).

Процесс моделирования движения вод местного стока позволяет получить серию карт затопления с временным интервалом в несколько часов или суток. В программе на картах затопления черным цветом отмечены области затопления, в которых уровень воды превышает 0,1 м. Кроме того, для выбранных наиболее важных точек на карте, в частности, главной улицы населенного пункта, железнодорожного вокзала, федеральной автодороги и т.п. можно получить зависимости уровня воды от времени.

Рис. 1. Фрагмент программы — карта затопления в первый день при таянии снега в установленном режиме окрестностей

с. Шуберское Воронежской области

С помощью программы установлено, что наибольшее затопление в с. Шуберское прогнозируется с 1 по 4 сутки с момента таяния снега, однако даже спустя 18 суток, анализируемый населенный пункт частично затоплен (рис. 2).

Рис. 2. Фрагмент программы — эволюция карты затопления с. Шуберского и окрестности по мере ухода

вод местного стока, образовавшихся в результате быстрого таяния снежного покрова. Время t указано с момента окончания таяния снега

Рис. 3. Фрагмент программы — сравнение прогнозируемой и реальной области затопления села Шуберское: а — прогнозируемая область затопления; б — реально формирующаяся; в — наложение предыдущих областей друг на друга

Сравнительный анализ показал, что полученные в результате работы программы результаты по затоплению местности вблизи населенного пункта с. Шуберское, хорошо соотносятся с соответствующими статистическими данными за последние 10 лет.

Предлагаемый подход учитывает с высокой детализацией рельеф местности, воспроизводит основные физические процессы, и на основе этого позволяет с высокой долей достоверности прогнозировать характер и динамику затопления заданной местности.

Данные, полученные в результате работы программы, позволят прогнозировать площадь территории и, при необходимости, вносить изменения в алгоритм действий чрезвычайных служб при предотвращении и ликвидации последствий паводка.

Литература

Семенова О.М. Анализ и моделирование процессов формирования стока в малоизученных бассейнах (на примере бассейна р. Лены). Дисс. к. т. н. СПб., 2008. 216 с.

Советов Б.Я. Моделирование систем [Текст]: Учеб. пособ. / Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. М.: Высш. шк., 1998. 319 с. Гулд Х., Тобочник Я. Компьютерное моделирование в физике. Ч. 2. М.: Мир, 1990. 400 с.

КалачА.В. Программа для моделирования движения вод местного стока / А.В. Калач, В.В. Посметьев, А.А. Чудаков // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013615705; зарегистрировано в реестре программ для ЭВМ 18.06.2013 г. Калач А.В., Чудаков А.А., Калач Е.В., Арифулин Е.З. Математическое моделирование водных систем противопожарного назначения // Технологии гражданской безопасности. 2013. № 3. С. 90—94.

Сведения об авторах

Калач Андрей Владимирович: д. х. н., доц., Воронежский институт ГПС МЧС России, зам. нач. ин-та по науч. раб. 394052, Воронеж, ул. Краснознаменная, 231. E-mail: AVKalach@gmail.com

Чудаков Александр Александрович: Воронежский институт ГПС МЧС России, ст. преп. 394052, Воронеж, ул. Краснознаменная, 231. E-mail: pboinp@yandex.ru

Афанасьева Евгения Валерьевна:

(ФЦ), н. с.

121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 216-90-33. E-mail: centrriskdtp@mail.ru SPIN-код — 4610-7026.

Information about authors

ФГБУ ВНИИ ГОЧС

Kalac Andrey V.: ScD (Chemical Sc.), associate professor, Voronezh Institute of the State Fire Service Emergency Russia, deputy Head of the institute. 394052, Voronezh, str. Krasnoznamennaya 231. E-mail: AVKalach@gmail.com

Chudakov Alexander A.: Voronezh Institute of the State Fire Service Emergency Russia, senior Lecturer. 394052, Voronezh, str. Krasnoznamennaya 231. E-mail: pboinp@yandex.ru

Afanasieva Eugene V.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emergencies" (Federal Center of Science and high technology), research associate. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 216-90-33. E-mail: centrriskdtp@mail.ru SPIN-scientific — 4610-7026.