Способ прогнозирования изменения глубины и рельефа дна водохранилищ
WATER RESERVOIRS BOTTOM DEPTH AND RELIEF CHANGES PREDICTION METHOD

Изобретение относится к области гидрографии и может быть использовано в геоморфологическом мониторинге водных объектов.
Известен «Способ стереосъемки рельефа дна акватории и устройство для его осуществления» (см. патент RU №2487 368 С1 01.12.2011), включающий перемещение ГАС посредством гидрографического судна, оснащенного измерителями скорости и курса движения, измерителем глубины, приемоиндикатором спутниковой навигационной системы и/или приемоиндикатором радионавигационной системы, соединенных с судовой ЭВМ.
Известен также Способ съемки рельефа дна акватории и эхолот для его осуществления (см. патент RU №2 573 626 С1 02.09.2014). Способ включает вождение судна с эхолотом, излучение и прием гидроакустических сигналов от дна, измерение расстояния гидроакустическим путем, определение геодезических координат приемоизлучающей антенны эхолота, истинные значения глубин и их геодезические координаты в пунктах, расположенных вдоль галса, определяют вычислительным путем по установленным новым формулам, приведенным в описании изобретения.
Известен Способ 3D исследования морского дна для инженерных изысканий (см. патент RU №2 608 301 С2 16.03.2015) который содержит сейсмоизлучатель и сейсмокосу, датчик скорости звука, многолучевой эхолот, гидролокатор бокового обзора, высокочастотный и низкочастотный параметрические профилографы, многолучевой эхолот, выходы которых соединены общей шиной с блоком сбора данных, подключенным к блоку контроля и анализа данных, один из выходов которого соединен общей шиной с входами сейсмоизлучателя и сейсмокосы, датчика скорости звука, многолучевого эхолота, гидролокатора бокового обзора, высокочастотного и низкочастотного параметрических профилографов, а другой выход устройства контроля и анализа данных соединен с блоком первичной обработки данных, подключенным к блоку визуализации данных, соединенному с блоком построения полученных данных в 3D формате.
Наиболее близким, к изобретению по совокупности существенных признаков является «Способ съемки рельефа дна акватории и устройство для съемки рельефа дна акватории» (см. патент RU №2 519 269 С1 12.12.2012). Изобретение относится к гидрографии, в частности к способам и техническим средствам барометрической съемки рельефа дна путем определения глубин на заданной акватории с определением их геодезических координат. Способ предусматривает выполнение магнитной съемки посредством градиентометра, буксируемого на расстоянии 5 м от дна, сейсмоакустическое профилирование посредством профилографа с рабочей частотой 3,5кГц. При этом измеряют уровень моря, и определяются глубины. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей с одновременным повышением достоверности и информативности при картировании рельефа дна акватории по измеренным глубинам посредством многолучевого эхолота.
Перечисленные аналогичные технические решения используют средства непосредственного измерения координат дна водного объекта, что требует дорогостоящего оборудования и отслеживается факт изменения рельефа дна. Недостатками являются большая стоимость, возможность фиксации факта свершившегося руслового процесса на ограниченном участке и невозможность предсказания хода переформирования отложений.
На основании перечисленных источников информации выявлено, что технической проблемой в области гидрографии является не достаточное количество технических средств, для предсказания хода переформирования отложений.
Технический результат, который может быть получен при использовании изобретения - осуществление достоверного прогноза изменения глубины водохранилища, с целью прогноза формирования береговой отмели водных объектов.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в способе прогнозирования изменения глубины и рельефа дна водохранилищ, предусматривающем определение мест и масштабов разрушений дна водохранилища, моделируют распространение продуктов разрушений водохранилищ, формируя блок входных данных по результатам изменения береговой линии, фиксируемой средствами аэрокосмического зондирования, определяют места и масштабы разрушений, затем с помощью математической модели изменения угла естественного откоса при изменении влагонасыщенности грунтов определяют объемы разрушений, и на базе полученных параметров осуществляют прогноз изменения отметок дна водохранилища.
Изобретение предусматривает одновременный анализ аэрокосмических снимков береговой линии водоемов и расчет объемов размыва берегов и отложения наносов. Анализ аэрокосмических снимков проводится с целью выявления зон разрушения берегов и определения динамики разрушения. При этом динамика формирования отложений фиксируется не как результат каких-то процессов, а через анализ причины ведущей к формированию отложений. Расчет объемов размыва берегов и отложения наносов основан на данных динамики берегоразрушения. В отличие от существующих расчетных способов, предложенное техническое решение позволяет повысить точность расчетов и привязать расчетные соотношения к конкретным условиям. Изменения береговой линии водохранилищ возможно фиксировать со спутника, самолета или беспилотного летающего аппарата.
Изобретение поясняется иллюстрациями.
На фиг. 1 представлен снимок Рыбинского водохранилища со спутника;
На фиг. 2 Расчетная схема берегоразрушения;
На фиг. 3 Прогноз формирования профиля берега и береговой отмели Рыбинского водохранилища.
На фиг. 4 Прогноз формирования профиля берега и береговой отмели Богучанского водохранилища
Пример конкретного выполнения способа.
1. Исследования проводили на Рыбинском водохранилище. По снимку со спутника (фиг. 1) определяли зоны берегозазрушений (выделено квадратом) и их размеры: длина береговой линии L=13,7 км. Ширина береговой отмели изменяется в пределах Вот=600…2100 м.
2. По данным инструментальной съемки построили рельеф берега (фиг. 2).
o
Прогноз переформирования берегов делается по методике, изложенной в ВСН 163-83, суть которой сводится к следующему. Энергия волн и изменение влагонасыщенности приводит к обрушению берегового склона. Часть материала разрушения формирует пологую береговую отмель, другая часть уносится в водохранилище. Профиль береговой отмели состоит из двух участков. Верхнего криволинейного участка, простирающего от уреза воды до глубины Н, равной глубине размывающего действия волны h (участок а-б на рис. 2). Нижнего прямолинейного участка (участок 6-с на рис. 2), простирающегося от глубины Н до глубины H+D, где D - сработка уровня водохранилища за период, свободной от льда воды.
H
Протяженность криволинейного участка B и прямолинейного участка Во вычисляется по уравнениям:
Сумма данных величин представляет полную ширину береговой отмели
o
B:
Коэффициент k зависит от уклона подводной и надводной части отмели, которые определяются в зависимости от гранулометрического состава берегового склона.
o
Глубину размывающего действия волны Н определяется в зависимости от расчетной высоты волны h и крупности донных наносов на внешнем крае береговой отмели.
Положение профиля устойчивой отмели относительно начального берегового склона определяется путем графического совмещения этих профилей при соблюдении условия:
a
p
где V - объем аккумуляции; V - объем разрушения начального берегового склона; χ - коэффициент аккумуляции, равный относительному содержанию в материале разрушения фракций d≥0,05 мм.
б
Графическое совмещение начального профиля берегового склона и расчетного профиля позволяет получить очертания разрушаемого склона, для которого определяются значения: объем разрушения V'p, объем аккумуляции V'a и смещение береговой линии L'б и проверяется значение коэффициента χ. Если оно не совпадает с допустимым (менее 0,7), то в рассчитанные величины L'б вводится поправка ΔL:
где Zp - превышение высшей точки контура над низшей в контуре разрушения; Za - превышение высшей точки контура над низшей в контуре аккумуляции Va.
б
Lб=L'б-ΔL
С помощью полученной величины Lб расчетный контур обрушения смещается для получения окончательного профиля берега (фиг. 3).
Выполненные исследования для Богучанского водохранилища показали возможность прогноза состояния мест археологических объектов при наполнении водохранилища до проектных отметок (фиг. 4)
Технико-экономические преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом
Эффективность способа определяется новыми возможностями геоморфологического мониторинга водных объектов, которые выражаются в масштабности охвата территории при использовании авиакосмических средств при снижении удельной стоимости по сравнению с эхолокационными методами, использующие плавсредства.
Предложенный способ позволит получить достоверный прогноз изменения глубины водохранилища, с целью формирования береговой отмели водных объектов.