Научная статья на тему 'Численное моделирование гидрологического режима реки Обь в период весеннего паводка'

Численное моделирование гидрологического режима реки Обь в период весеннего паводка Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

CC BY
196
63
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ГИДРОЛОГИЯ / ГИДРАВЛИКА / МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / HYDROLOGY / HYDRAULICS / MATHEMATICAL MODELLING

Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Кудишин А. В.

На основе одномерной нестационарной модели «мелкой воды» для системы русел оценивается гидрологический режим р. Обь на участке от г. Бийска до г. Камень-на-Оби в период весенненго паводка. В качестве граничных условий используются данные гидропостов. В зоне без гидропостов поступление воды в речную сеть определяется на основе одномерной нестационарной модели таяния снега.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

NUMERICAL MODELLING OF HYDROLOGICAL REGIME OF OB RIVER DURING SPRING FLOOD

The hydrological regime of Ob river in the area from Biisk town on Kamen-on-Ob town during spring flood is estimated with one-dimensional time-varying model of “shallow water” for a system of channels. The data from gauging stations are used as boundary conditions. In the area free of gauging stations the flow of water in river network is estimated with one-dimensional time-varying model of snow melting.

Текст научной работы на тему «Численное моделирование гидрологического режима реки Обь в период весеннего паводка»

Библиографический список

1. Ледовских, Е.Ю. Экотуризм на пути в Россию. Принципы, рекомендации, российский и зарубежный опыт / Е.Ю. Ледовских, А.В. Дроздов, Н.В. Моралева. - Тула, 2002.

2. Дроздов, А.В. Основы экологического туризма: учебное пособие. - М., 2005.

3. Дунец, А.Н. География туризма в России: учебное пособие. - Барнаул, 2007.

4. Australian National Ecotourism Strategy, Commonwealth Department of Tourism. - Canberra, 1992.

5. Western, D. Defining Ecotourism. In: Ecotourism: A Guide for Planners and Managers / D.Western. - The Ecotourism Society, North Bennington,

USA, 1993.

6. Fennel, D.A. Ecotourism: An Introduction, Routledge / D.A. Fennel. - London, 1999.

7. Steck, B. Sustainable Tourism as a Development Option. Practical Guide for Local Planners, Developers and Decision Makers. - Washington D.S., 1999.

8. Junk, R. Wieviel Touristen pro Hektar Strand? // Geo. - 1980. - Heft 10.

9. Рябцев, В. Об экотуризме, заповедниках и национальных парках [Э/р]. - Р/д: http://ecodelo.org/2260-

ob_ekoturizme_zapovednikakh_i_natsionalnykh_parkakh- zelenyi_turizm.

10. Тихомиров, В. Не перейти грань! (О проблеме экотуризма на особо охраняемых природных территориях) / В. Тихомиров, Ф. Штиль-марк // Охрана дикой природы. - № 3(22). - 2001.

11. Байкальская экошкола волонтеров [Э/р]. - Р/д: http://ecodelo.org/1950-baikalskaya_ekoshkola_volonterov-

obrazovanie_dlya_ustoichivogo_razvitiya

12. Красноярова, Б.А. Экокультурный императив в осовении северных территорий Сибири // Северная стратегия России: экологическая безопасноясть и этнокультурная политика: материалы VI Северного социально-экономического конгресса. - М., 2011.

13. Агентство недвижимости «Горный Алтай» [Э/р]. - Р/д: www.an04.ru.

14. Схема территориального планирования. Положения о территориальном планировании // Центральный научно-исследовательский и проектный институт по градостроительству (ЦНИИП градостроительства РААСН). - М. 2008.

15. Схема территориального планирования Чемальского района / НИИ ГПУ АптГТУ. - Барнаул, 2009.

16. Черных, Д.В. Проект функционального зонирования природного парка «Катунь» / Д.В. Черных, Д.В. Золотов // Экологическое планирование и управление. - 2007. - № 4.

17. Федеральный закон от 14.03.1995 № 33-ФЗ «Об особо охраняемых природных территориях» (Собрание законодательства Российской Федерации, 1995, № 12.

18. Улюкаев, В.Х. Земельное право: учебник / В.Х. Улюкаев, В.Э. Чуркин, В.В. Нахратов, Д.В. Литвинов. - М., 2010.

Bibliography

1. Ledovskikh, E.Yu. Ehkoturizm na puti v Rossiyu. Principih, rekomendacii, rossiyjskiyj i zarubezhnihyj opiht / E.Yu. Ledovskikh, A.V. Drozdov, N.V. Moraleva. - Tula, 2002.

2. Drozdov, A.V. Osnovih ehkologicheskogo turizma: uchebnoe posobie. - M., 2005.

3. Dunec, A.N. Geografiya turizma v Rossii: uchebnoe posobie. - Barnaul, 2007.

4. Australian National Ecotourism Strategy, Commonwealth Department of Tourism. - Canberra, 1992.

5. Western, D. Defining Ecotourism. In: Ecotourism: A Guide for Planners and Managers / D.Western. - The Ecotourism Society, North Bennington, USA, 1993.

6. Fennel, D.A. Ecotourism: An Introduction, Routledge / D.A. Fennel. - London, 1999.

7. Steck, B. Sustainable Tourism as a Development Option. Practical Guide for Local Planners, Developers and Decision Makers. - Washington D.S., 1999.

8. Junk, R. Wieviel Touristen pro Hektar Strand? // Geo. - 1980. - Heft 10.

9. Ryabcev, V. Ob ehkoturizme, zapovednikakh i nacionaljnihkh parkakh [Eh/r]. - R/d: http://ecodelo.org/2260-

ob_ekoturizme_zapovednikakh_i_natsionalnykh_parkakh- zelenyi_turizm.

10. Tikhomirov, V. Ne pereyjti granj! (O probleme ehkoturizma na osobo okhranyaemihkh prirodnihkh territoriyakh) / V. Tikhomirov, F. Shtiljmark / / Okhrana dikoyj prirodih. - № 3(22). - 2001.

11. Bayjkaljskaya ehkoshkola volonterov [Eh/r]. - R/d: http://ecodelo.org/1950-baikalskaya_ekoshkola_volonterov-

obrazovanie_dlya_ustoichivogo_razvitiya

12. Krasnoyarova, B.A. Ehkokuljturnihyj imperativ v osovenii severnihkh territoriyj Sibiri // Severnaya strategiya Rossii: ehkologicheskaya bezopasnoyastj i ehtnokuljturnaya politika: materialih VI Severnogo socialjno-ehkonomicheskogo kongressa. - M., 2011.

13. Agentstvo nedvizhimosti «Gornihyj Altayj» [Eh/r]. - R/d: www.an04.ru.

14. Skhema territorialjnogo planirovaniya. Polozheniya o territorialjnom planirovanii // Centraljnihyj nauchno-issledovateljskiyj i proektnihyj institut po gradostroiteljstvu (cNiIP gradostroiteljstva RAASN). - M. 2008.

15. Skhema territorialjnogo planirovaniya Chemaljskogo rayjona / NII GPU AltGTU. - Barnaul, 2009.

16. Chernihkh, D.V. Proekt funkcionaljnogo zonirovaniya prirodnogo parka «Katunj» / D.V. Chernihkh, D.V. Zolotov // Ehkologicheskoe planirovanie i upravlenie. - 2007. - № 4.

17. Federaljnihyj zakon ot 14.03.1995 № 33-FZ «Ob osobo okhranyaemihkh prirodnihkh territoriyakh» (Sobranie zakonodateljstva Rossiyjskoyj Federacii, 1995, № 12.

18. Ulyukaev, V.Kh. Zemeljnoe pravo: uchebnik / V.Kh. Ulyukaev, V.Eh. Churkin, V.V. Nakhratov, D.V. Litvinov. - M., 2010.

Статья поступила в редакцию 20.08.12

УДК 556.531

Kudishin A.V. NUMERICAL MODELLING OF HYDROLOGICAL REGIME OF OB RIVER DURING SPRING FLOOD. The

hydrological regime of Ob river in the area from Biisk town on Kamen-on-Ob town during spring flood is estimated with one-dimensional time-varying model of “shallow water” for a system of channels. The data from gauging stations are used as boundary conditions. In the area free of gauging stations the flow of water in river network is estimated with one-dimensional time-varying model of snow melting.

Key words: hydrology, hydraulics, mathematical modelling.

А.В. Кудишин, канд. физ.-мат. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, г. Барнаул, E-mail: bella@iwep.asu.ru

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА РЕКИ ОБЬ В ПЕРИОД ВЕСЕННЕГО ПАВОДКА*

На основе одномерной нестационарной модели «мелкой воды» для системы русел оценивается гидрологический режим р. Обь на участке от г. Бийска до г. Камень-на-Оби в период весенненго паводка. В качестве граничных условий используются данные гидропостов. В зоне без гидропостов поступление воды в речную сеть определяется на основе одномерной нестационарной модели таяния снега.

Ключевые слова: гидрология, гидравлика, математическое моделирование.

При математическом моделировании волн паводка в речной системе Оби на основе одномерной нестационарной модели «мелкой воды» для системы русел необходимо учитывать существенную пространственно-временную изменчивость и разнородность процессов, определяющих гидрологический режим бассейна. В качестве первого приближения можно выделить бассейны наиболее крупных притоков, сток по площади этих бассейнов в виде интегральной величины включить в расход самих притоков. Следуя этой схеме и имея гидрологическую информацию по гидропостам, можно сделать пространственно-временную оценку водного стока (расход и приточность) крупных притоков Оби. Отсутствие гидрологической информации по гидропостам генерирует неопределенность при расчете распространения волны паводка.

В качестве водного объекта для отработки математической модели и численных алгоритмов выбрана р. Обь на участке от г. Бийска до г. Камень-на-Оби. Сток на этом участке в основном формируется реками: Бия, Катунь, Ануй, Песчаная, Чарыш, Алей. Сетью гидропостов участок покрыт не полностью, имеется значительная часть водосбора (формирующая боковую приточность), на которой данных по стоку нет либо доступ к ним затруднен. В летне-осенний период этой частью стока можно пренебречь, но в весенний период боковая приточность может быть сопоставима с расходом в р. Обь. В статье сделана оценка возможности использования модели снеготаяния для расчета боковой приточности в период снеготаяния на участках, не входящих в зону учета существующих гидропостов.

Гидрологический режим непосредственно Оби и ее крупных притоков рассчитывается на основе одномерной нестационарной модели «мелкой воды» для системы русел [1-2]:

да д0

--------1---------— q,

дt дх

дв + ді дх

Ґ

+ gю

д^ + ОД

дх К2

— 0.

(1)

(2)

V--- — у

Здесь ш - площадь поперечного сечения потока; Q - расход воды; q - удельный (приходящийся на единицу длины русла) боковой приток воды; z - ордината поверхности потока; д - ускорение силы тяжести; х - продольная координата; t - время;

К - модуль расхода,

П / % - гидравлический радиус; х - смоченный периметр

; С — V Л1

/п

Е

коэффициент Шези.

При моделировании гидравлического режима одиночного участка реки граничные и начальные условия для уравнений (1)-(2) можно записать в виде [1-2]:

при X = 0 Q = Q(t) или Z = z(t) ;

при X = L Q = Q(Z) или z = z(t) , или Q = Q(t) .

Здесь Q = Q( z) - кривая связи.

Начальное условие:

при t = 0 Q = Q( х), а = а( х).

В разветвленных системах открытых русел во внутренних точках (точки слияния русел) ставятся условия сопряжения, выражающиеся в равенстве нулю суммы втекающих Qin и вытекающих Qout расходов и равенстве уровней свободной поверхности (как один из вариантов условий сопряжения):

LQin,i = LQout,k, ¡=1...н, к=1..к,; Zn=Z*, для каждого п^...^-^).

Здесь н - число входящих участков, к - число выходящих участков.

Тепло-массоперенос в снеге можно описать системой уравнений (3-5) [3]:

дв д q6

Р аТ +

д П д Т / д Т д Т дПс _ эф /ду

— + q6 — +------------------ —— = Ц

д г 6 ду ду ‘

д Л

С

С _ эф

(3)

(4)

Рл

д і

— Ч,

Здесь у - вертикальная координата; t - время; Т-температура; в —

-влажность;

Л —

(5)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

'АУ

льдистость;

AV - элементарный объем; АУе - объем воды в АУ ; АУл - объем льда в АУ ; в+ Л = 1; П теплопроводности снега.

Пс эф = ас * Л2, (ас - эмпирический коэффициент).

Эффективная теплоемкость:

Сс _ эф = Рл * сл * Л + Ре * С6*в

С _ эф

коэффициент

V — - к

Рв

(6)

К — К * S'

с со

Здесь относительная насыщенность снега S —

в-вС

-----, в - водоудерживающая способность снега; К

р-вС С СО

гидравлическая проводимость снега при полном насыщении водой. Система (3-5) после соответствующей модификации решалась в подвижной системе координат (|_Д) у — Н{{Б, ^[0,і], Н(1) - толщина снега, зависящая от времени.

На границе «грунт-снег» ставилось условие Т(1,0)=То=0; На поверхности снега задавался поток тепла и условие Стефана (при таянии льда).

Схема учета снеготаяния при расчете боковой приточности д(1,х) в уравнении (1) на данном этапе работ следующая.

1. По модели снеготаяния расчитывается удельный сток Оо(1) =qв(t, у=0) (уравн. 6) по имеющимся суточным метеоданным (осадки, ветер, температура воздуха, давление, влажность воздуха, облачность).

2. Сток интерполируется в расчетной области (русло реки) и с весом W, равным ширине предполагаемого водосбора реки используется для расчета удельной боковой приточности:

д(1,х)=Оо (Мз, х) *W(x) (7)

где - задержка по времени, х - продольная координата по оси русла.

Схематизация расчетной области для системы (1-2) представлена на рисунке 1. В отмеченных створах (кружками) у населенных пунктов задавались расходы по данным водпостов. В замыкающем створе с. Малышево использовано условие свободного протекания.

время

Рис. 2. Динамика расхода и уровня воды в районе г. Барнаула без учета снеготаяния. Расчет для 1988 г.

На рисунке 2 представлены результаты расчета гидрографа в районе Барнаула для 1988 г. без модели боковой приточности (3-7). В целом совпадение расчетных и натурных данных по расходу удовлетворительное. Исключение составляет период интенсивного снеготаяния с 15.04 по 01.05 (максимальная погрешность

до Зб %). Результаты расчета гидрографа в районе Барнаула для 1988 г. с учетом модели боковой приточности (3-7) представлены на рисунке 3. Очевидно, что учет модели боковой приточности (3-7) позволяет более точно рассчитать расход воды в р. Обь в период интенсивного снеготаяния с 1б.04 по 01.0б.

о

го

2

о"

время

Рис. 3. Динамика расхода и уровня воды в районе г. Барнаула с учетом снеготаяния. Расчет для 1988 г.

Использование модели снеготаяния при расчете боковой речного потока могут использоваться для решения различных приточности представляется перспективным и позволяет улуч- водно-экологических задач, в частности для определения гра-шить точность расчета прохождения волны паводка в верхнем ниц зон затопления при расходах различной обеспеченности и течении р. Обь в период снеготаяния. Рассчитанные параметры целей краткосрочного прогноза гидрологического стока.

* Работа выполнена в рамках проекта СО РАН VII.62.1.1. «Исследования гидрологических, гидрохимических, гидробиологических и экологических процессов в водных объектах Сибири с учетом антропогенных факторов и изменений климата» и при частичной финансовой поддержке Партнерского проекта фундаментальных исследований СО РАН №74.

Библиографический список

1. Васильев, О.Ф. Математическое моделирование качества воды в системах открытых русел / О.Ф. Васильев, А.Ф. Воеводин // Динамика сплошной среды. - Новосибирск, 1975. - Вып. 2.

2. Васильев, О.Ф. Численный метод расчета распространения длинных волн в открытых руслах и приложение его к задаче о паводке / О.Ф. Васильев, С.К. Годунов // ДАН СССР - 1963. - Т. 151. - № 3.

3. Кучмент, Л.С. Формирование речного стока / Л.С. Кучмент, В.Н. Демидов, Ю.Г. Мотовилов. - М., 1983.

Bibliography

1. Vasiljev, O.F. Matematicheskoe modelirovanie kachestva vodih v sistemakh otkrihtihkh rusel / O.F. Vasiljev, A.F. Voevodin // Dinamika sploshnoyj sredih. - Novosibirsk, 1975. - Vihp. 2.

2. Vasiljev, O.F. Chislennihyj metod rascheta rasprostraneniya dlinnihkh voln v otkrihtihkh ruslakh i prilozhenie ego k zadache o pavodke / O.F. Vasiljev, S.K. Godunov // DAN SSSR. - 1963. - T. 151. - № 3.

3. Kuchment, L.S. Formirovanie rechnogo stoka / L.S. Kuchment, V.N. Demidov, Yu.G. Motovilov. - M., 1983.

Статья поступила в редакцию 25.09.12

УДК 631.4

Kuznetsova O.V. COPPER IN MAJOR LANDSCAPE COMPONENTS OF THE LAKE TELETSKOYE BASIN. The regularities of copper distribution within different-type soil forming rocks and soils under study were revealed. The data on Cu concentration in plants are presented. The greater Cu accumulation was observed in roots and mat as compared with top. Copper concentration in the lake's water and its major tributaries does not exceed MPS.

Key words: copper, soil forming rocks, soils, plants, water.

О.В. Кузнецова, аспирант ИВЭП СО РАН, E-mail: gafivep@mail.gorny.ru

МЕДЬ В ОСНОВНЫХ КОМПОНЕНТАХ ЛАНДШАФТОВ БАССЕЙНА ТЕЛЕЦКОГО ОЗЕРА

Выявлены закономерности распределения меди в различных типах почвообразующих пород и почвах исследуемой территории. Представлены данные о ее концентрациях в растительных ассоциациях. Обнаружено большее накопление элемента в корнях и подстилке по сравнению с надземной массой. Содержание меди в воде озера и его основных притоков не превышает ПДК.

Ключевые слова: медь, почвообразующие породы, почвы, растения, воды.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.