Принципиальная схема типизации территорий по подтоплению

Классификация территории по пораженности ЭГП

Категория пораженности	Характеристика пораженности	Коэффициент пораженности
I	Весьма слабая	<0,01
II	Слабая	0,01-0,1
III	Средняя	0,1-0,3
IV	Сильная	0,3-0,5
V	Очень сильная	0,5-0,7
VI	Весьма сильная	>0,7

Задача 2

Определить вероятность возникновения (Р_ji) и активизации процесса (геодинамического потенциала) (W_пр,к) карстообразования на территории муниципального образования, подверженной опасному экзогенному геологическому процессу (ОЭкзГП) – карстованию подстилающих карбонатных пород.

Исходные данные:

N_прj – количество участков на территории муниципального образования, подверженных процессам карстообразования;

N_ji – общее количество элементарных участков i с опасными факторами j на территории муниципального образования;

i – количество участков, подверженных ОЭкзГП (процессу карстообразования);

j – опасный фактор ОЭкзГП - процесс карстообразования;

П – знак произведения при количестве m j-ых факторов (для рассматриваемой территории П равен 1 (процесс карстообразования).

Решение:

Комплексная оценка – вероятность возникновения или активизации рассматриваемого процесса (геодинамический потенциал) на любом к-ом элементарном участке (с координатами X_g, J_k) территории определяется как вероятность суммы конечного члена событий с допущением независимости действия факторов данного набора:

1. Определяется вероятность возникновения ОЭкзГП на территории муниципального образования:

Р_ji = N_прji/ N_ji

2. Определяется вероятность активизации (геодинамического потенциала) территории муниципального образования:

W_пр,к = 1 – Π^m_j=1 (1 – Р_ji)

Задача 3

Определить интенсивность размыва берегов (берегоразрушительного процесса) вновь созданного водохранилища по скорости отступания береговой линии С.

Исходные данные:

Q – среднегодовой расход воды (м³/с);

I – уклон;

d – средний диаметр частиц отложений, слагающих берег (мм);

H_b – высота берега над меженным уровнем воды в реке (м);

К – коэффициент, имеющий размерность (м³/с)^-1 и зависящий от размера реки:

при Q>5000 м³/с и ширине реки > 15 000 м (крупнейшие реки) - К=0,95·10^-5;

при Q<300 м³/с и ширине реки <50 м (малые реки) - К=5,5·10^-3.

Решение:

Для общей оценки интенсивности размыва берегов используется формула К.М. Берковича (1982 г.):

С = К· Q²I/dH_b

Задача 4

Определить долгосрочный и среднесрочный прогноз стоково-заторных уровней воды (Нм) в период весеннего половодья в районе Великого Устюга.

Исходные данные:

Н_лед – максимальный уровень воды в период формирования ледяного покрова;

h_л – максимальная годовая толщина льда на р. Сухоне в районе г. Великого Устюга.

Решение:

1. Долгосрочный прогноз стоково-заторных уровней воды имеет вид:

Н_м = 1,5 Нлед +400

2. Среднесрочный прогноз учитывает не только осенние, но и зимние предпосылки формирования максимальных уровней воды в районе г. Великий Устюг: Их совместный эффект пропорционален величине Р – разности между Нлед и максимальной годовой толщиной льда Сухоны у г. Великий Устюг hл (см):

Р = Нлед – hл

Н_м = 1,6Р + 494

Чем больше величина Р, тем больше вероятность формирования максимального уровня воды при участии затора. При Р= 0-50 см вероятность исключительно высоких уровней воды близка к 0, поскольку ширина ледовых полей относительно мала. Она может оставаться небольшой и при других сценариях изменения разности Нлед – hл. Максимальные уровни воды, соответствующие чрезвычайной ситуации, возникают при Р = 50-100 см и Р >100 см. В первом случае вероятность нарушения гидроэкологической безопасности равна 14, во втором – 50%. При любых значениях Р возможен чисто стоковый генезис максимального годового уровня воды (заторная составляющая уровня DН_з =0). Она снижается при увеличении параметра Р от 0-50 до 100 см и более.

Задача 5

Оценить степень подтопления территории по критерию потенциальной подтопляемости Р:

Исходные данные:

H_o – глубина залегания уровня грунтовых вод (УГВ) до начала развития подтопления или в момент выполнения оценки подтопляемости (м);

Δh – возможный (прогнозируемый) подъем уровней подземных вод в точке (x,y,) на момент времени t при их дополнительном питании ω (м);

H_kp - подтопляющая критическая глубина подземных вод для данной территории (объекта), при превышении которой последние начинают воздействовать на объект (м).

Решение:

Критерий потенциальной подтопляемости определяется по формуле:

P= H_kp | H_o ^– Δh(x,y,t,ω)

При Р≥1 территория является подтопленной или потенциально подтопляемой, а при Р<1 и при t_с≥ Т (t_с – момент времени наступления H_kp, Т – расчетный период времени) территория не является потенциально подтопляемой.

В зависимости от вышеперечисленных величин производится типизация территорий по степени подтопления (таблица):

Таблица

Принципиальная схема типизации территорий по подтоплению

Вид терри-тории по подтоплен-ности (области)	Подвид процесса (районы)	Разновидности процесса (участки)	Приложения
I. Подтоплен-ные террито-рии Но≤Нкр, Р≥1	I.А. Подтопленные в естественных условиях   Нео ≤ Нкр	I.A.1. Постоянно подтопленные   Нсмо ≤ Нкр	Условные обозначения: Нсмо- глубина до начального, среднего многолетнего положения УГВ, м; An - естественное периодическое приращение к среднему многолетнему УГВ с 11-летним циклом,м; Ac- естественное сезонное (максимальное расчетной обеспеченности) приращение к среднему многолетнему УГВ, м; Ат – техногенное периодическое приращение к среднему многолетнему уровню с учетом колебаний в нарушенных условиях, м; Δh – прогнозируемое приращение к среднему многолетнему УГВ при дополнительном питании ωо, м; Нео , Нто – глубина до начального уровня соответственно в естественных и техногенно нарушенных условиях, м; Т – расчетный период времени
I.A.2. Периодически подтопленные   Нсмо - Аn≤ Нкр
I.А.3. Сезонно подтопленные   Нсмо – Ас≤ Нкр
I.Б. Подтопленные в техногенно нарушенных условиях   Нто ≤ Нкр	I.Б.1. Постоянно подтопленные   Нсмо≤ Нкр
I.Б.2. Временно подтопленные   Нсмо – Ат≤ Нкр
II. неподтоп-ленные террито-рии Но>Нкр, Р(Т)≤1	II.А. Потенциально подтопляемые (при заданном техногенном воздействии, нарушении естественных условий) Р=Нкр/(Нсмо – Δh) ≥ 1	II.А.1.Потенциально подтопляемые постоянно   Р=Нкр/(Нсмо - Δh) ≥ 1

Задача 6

Определить водность реки в момент весеннего половодья (Q, м³) по общему стоку воды в реку за половодье Y (м³) (тало-дождевому стоку).

Исходные данные:

U - запас воды в снеге и ледяной корке на поверхности почвы к моменту начала снеготаяния (м);

Х - дополнительные осадки, участвующие в формировании половодья (м);

I - суммарная инфильтрация талой и дождевой воды в почву (м) (зависит от типа почвы, водонасыщенности активного слоя почвы, глубины промерзания);

А - количество воды, задержанной на поверхности (м) (зависит от характера поверхности почвы, микрорельефа, растительности и др.);

F – площадь рассматриваемой поверхности;

Z - суммарные потери воды на испарение за период половодья (м);

W – общий объем стока воды в реке в межень (м³) (среднегодовой показатель);

S – площадь водосбора (м²).

Решение:

Y = [U + X·(I+A+Z/F)] · S

По определенному стоку воды в половодье Y определяется водность реки в период весеннего половодья Q:

Q = W + Y

Задача 7

Определить коэффициент пожароопасности (КП) лесов на текущий день в пожароопасный период.

Исходные данные:

t – температура воздуха (°С) на 12 часов по полудню;

r – температура точки росы (°С) на 12 часов по полудню;

n – число дней после последнего дождя

Решение:

t

КП = Σ t (t-r)

n

Исходные данные для расчета КП

Дата	Количество осадков	t	t-r
7.07	Осадки выпали до 12 часов в количестве 3 мм	16.9	1.6
8.07	Осадков не было	17.9	2.5
9.07	Осадков не было	26.8	21.2
10.07	Осадков не было	24.1	15.1

Задача 8

Определить уровень уязвимости населенного пункта к природным источникам чрезвычайных ситуаций (I_пр):

Исходные данные:

I – показатель уязвимости;

К – коэффициент, учитывающий динамику (положительную и отрицательную) изменения в инженерно-технической защищенности территории и объектов на прогнозируемый период;

N_ЧС – количество ЧС, обусловленных природными источниками, за период наблюдений;

N_ист – общее количество природных источников ЧС за период наблюдений (опасные и неблагоприятные гидрометеорологические явления, опасные экзогенные процессы и пр.).

Решение:

1. Определение уровня уязвимости:

2. Для определения I_пр находим показатель уязвимости I :

Задача 9

Определить величину риска чрезвычайной ситуации (R) на рассматриваемой территории по величинам математического ожидания ущерба определенного рода за год и вероятности наступления неблагоприятного события за год.

Исходные данные:

p - вероятность наступления чрезвычайной ситуации (частота аварий, катастроф) за год;

g - потенциальный ущерб от чрезвычайной ситуации;

s - вероятность наступления неблагоприятного события при условии, что случилась чрезвычайная ситуация.

Решение:

1. По величине математического ожидания ущерба риск определяется по формуле:

R = pg (количество/год)

Размерность риска согласуется с характером ущерба и имеет вид: ущерб/год.

2. По вероятности наступления неблагоприятного события за год риск определяется из соотношения:

R = ps (млн. руб. / год)

Размерность риска во втором случае, учитывая безразмерность параметра s, имеет вид: 1/год.

Задача 10

Определить параметры волны прорыва (высоты волны прорыва Н_ВI) при разрушении гидротехнического сооружения и времени полного опорожнения водохранилища Т₁.

Исходные данные:

Н - глубина водохранилища у плотины в м;

h_б -глубина реки у плотины в м;

W_B - объем водохранилища;

А - коэффициент кривизны водохранилища, для ориентировочного расчет, принимается равный - 2;

m - параметр, характеризующий форму русла реки;

В_i - ширина прорана м;

Н - глубина водохранилища перед гидроузлом (для расчетов - равна Н у плотины);

Решение:

1. Определение высоты волны прорыва:

Н_ВI = 0,6Н - h_б , м

2. Определение времени прохождения волны прорыва через створ разрушенной плотины (время полного опорожнения водохранилища):

, час

Задача 11

Определить сроки завершения эвакуационных мероприятий (отселения населения) в населенном пункте, попадающем под воздействие волны прорыва при разрушении гидротехнического сооружения.

Исходные данные:

H_i - высота водного потока в i-м створе;

К_i - показатель формы долины реки, для оперативных расчетов принимаем равным 0,6;

L – расстояние от створа гидротехнического сооружения (нижнего бьефа плотины) до населенного пункта;

«Ч» + - время образования прорана (получения сигнала о прорыве плотины).

Определить время завершения эвакуационных мероприятий по скорости течения водного потока.

Решение:

1. Определяем скорость течения водного потока волны добегания:

V_i=

2. По полученной скорости определяем время добегания волны прорыва до населенного пункта::

t = L / V_i

3. Определяем время завершения эвакуационных мероприятий:

«Ч» + t

Задача 12

Определить уровень развития муниципального образования по показателю индекса человеческого потенциала I_р.

Исходные данные:

Т_ж – продолжительность ожидаемой жизни в момент рождения (лет) на данной территории;

Д_v – валовый внутренний продукт на душу населения данной территории (тыс. рублей);

Т_срж – среднестатистическая продолжительность жизни по России (лет);

Д_min – среднепрожиточный уровень жизни данной территории (тыс. рублей):

Решение:

Индекс развития человеческого потенциала определяется:

I_р= Т_ж · Д_v/Т_срж · Д_min

При I_р>1 – высокий жизненный потенциал

Задача 13

Определить продолжительность подъема половодья t_n при отсутствии данных уровенных режимов в ходе гидрологических наблюдений на водном объекте

Исходные данные:

F - площадь водосбора реки у населенного пункта - 825 км²;

Q_1% - расчетный максимальный мгновенный расход воды - 406 м³/с;

h_1% - расчетный слой стока весеннего половодья заданной обеспеченности p% (при 1%) - 276 мм;

k_s - коэффициент несимметричности гидрографа (по данным рек-аналогов) - 0,36

(при этом значение коэффициента формы гидрографа λ = 1,0);

k_τ – переходный коэффициент (водосбор расположен в южной части лесной полосы) - 1,24.

Решение:

1) Определяется среднесуточный расход воды:

Ǭ_1% = Q_1%/ k_τ

2) Вычисляется модуль максимального среднесуточного расхода воды:

ǭ_1% = Ǭ_1%/ F (м³/(с·км²)

3) Рассчитывается продолжительность подъема половодья:

t_n = 0,0116·λ·h_1% / ǭ_1% (сутки)

Задача 14

Рассчитать уклон реки I по продольному профилю отметок уровня реки на данном участке

Исходные данные:

Н (на схеме – h₄) – отметка поверхности реки на расстоянии L от истока;

Н_о (на схеме - h₁)– отметка поверхности у истока реки - в замыкающем створе;

z – падение от истока до замыкающего створа;

а – параметр, характеризующий форму профиля реки/

i_сз – средневзвешенный уклон поверхности воды;

i_ср – средний уклон (определяется по справочнику Росгидромета (1968 г.)

(максимальная ошибка – 7 см на 1 км протяженности реки)

К - коэффициент корреляции – 0,97

к₁, к₂, m₁, m₂ - параметры

Решение:

1. При l/L = 0 и H = Ho + z в истоке реки в замыкающем створе:

l/L = 1 и H = Ho

При вогнутых профилях а > 1; выпуклых профилях – а < 1

Отсюда:

2. При наблюдениях за уровнями воды на реке на одном водомерном посту расчет падения z:

3. При отсутствии данных об уклонах поверхностной воды (расчет по данным о длине реки от истока до расчетного створа):

Задача 15

Определить продолжительность подъема половодья при отсутствии данных уровенных режимов в ходе гидрологических наблюдений на водном объекте

Исходные данные:

площадь водосбора реки у населенного пункта F=825 км²;

расчетный максимальный мгновенный расход воды Q_1%=406 м³/с;

расчетный слой стока весеннего половодья h_1%=276 мм;

коэффициент несимметричности гидрографа (по данным рек-аналогов) k_s=0,36, при этом значение коэффициента формы гидрографа λ = 1,0;

h_1% - расчетный слой стока половодья заданной обеспеченности p% (при 1%);

водосбор расположен в южной части лесной полосы – переходный коэффициент k_τ для значения Q_1%=406 м³/с: k_τ=1,24.

Решение:

1. Определяется среднесуточный расход воды:

Ǭ_1% = Q_1%/ k_τ (м³/с)

2. Вычисляется модуль максимального среднесуточного расхода воды:

ǭ_1% = Ǭ_1%/F (м³/(с·км²)

3. Рассчитывается продолжительность подъема половодья:

t_n = 0,0116·λ·h_1% / ǭ_1% (сутки)

Задача 16

Определить силу воздействия водного потока на береговую линию водотока

Исходные данные:

V₀ – скорость водного потока до поворота водотока (реки);

V₁ – скорость водного потока после поворота водотока (реки)

(в расчетах ввиду малой величины принимаем V₀ = V₁ = 1,2 м/с);

Ɵ – угол поворота водотока, равный 120°;

ρ – плотность воды водотока, равная 1;

F_x – сила движения водного потока в точке А (соприкосновения с береговой линией водотока), равная 3,2;

F_y – сила сопротивлению движения водного потока в точке А (в месте соприкосновения с береговой линией), равная 1,3;

Q – расход воды водотока, равный 380 м³/с;

Определить:

F – силу воздействия (действия) водного потока на береговую линию водотока

Решение:

F = √ F²_x + F²_y = 2 ρ·Q V₁·cos Ɵ/2

Задача 17

Определить коэффициент потери энергии в месте сужения водного потока в водотоке

Исходные данные:

ω₁ площадь сечения водотока в сечении pq, равная

ω₂ площадь сечения водотока в сечении ad, равная

ω₃ площадь сечения водного потока в сечении mn, равная

ζ_с – коэффициент сопротивления (потери энергии);

ζ_сж – коэффициент сжатия водного потока в месте сужения (в сечении mn);

ζ_рас – коэффициент расширения водного потока в месте сужения (в сечении pq);

ε – коэффициент сжатия струи (водного потока);

d₁ (pq) – диаметр сечения водного потока по профилю pq

d₂ (ad) – диаметр сечения водного потока по профилю ad

d₃ (mn) – диаметр сечения водного потока по профилю mn

λ – коэффициент формы профиля ложа (русловой части) водного потока

Ɵ – угол сжатия водного потока в месте сужения водотока

Определить:

коэффициент потери энергии в месте сужения водного потока в водотоке (в месте возможного затора, зажора) ζ_с

Решение:

1. Коэффициент сжатия струи:

ε = ω_2/ ω₁

2. Коэффициент потери энергии в месте сужения по профилю mn:

ζ_с = λ/8tg Ɵ·(1 – d⁴₁/d⁴₂)

Задача 18

Определить интенсивность (I_ст) снеготаяния

Исходные данные:

К_ст – коэффициент стаивания (учитывает неравномерность залегания снежного покрова и его водоудерживающей способности);

W_вс – запасы воды в снеге (в поле и в лесу);

К_ву – коэффициент водоудержания;

К_ст рассчитывается ежегодно по данным территориальных подразделений Росгидромета

Решение:

Задача 19

Произвести расчет расхода шуги при прогнозировании зажора

Исходные данные:

α_л - густота ледохода (шуги);

v_л - скорость движения льда (шуги);

h_л - средняя толщина льда;

В - ширина реки

Расход (сток) льда (шуги) Q_лед – количество льда (шуги), проходящей через поперечное сечение потока в 1 секунду:

Q_лед = α_л v_л h_л B

Задача 20

Произвести краткосрочный прогноз подъема воды при образовании зажора на 3-5 дней у водозабора населенного пункта

Исходные данные:

Н_заж – прогнозируемый уровень подъема воды при образовании зажора;

Н_XIл – средний уровень озера в ноябре (см);

L - расстояние кромки льда от водозабора (км);

Н_вз – уровень воды у водозабора

Решение:

Н_заж = 129Н_XIл + 0,53L + 0,24Н_вз - 404

Задача 21

Произвести расчет прогнозирование заторного уровня

Исходные данные:

Н_зат – максимальный заторный уровень на данном участке;

Н_л – уровень воды в период ледостава на данном участке.

Решение:

Н_зат = 180 + 2,18Н_л

Задача 22

Определить Qp – максимальный расход весеннего половодья обеспеченностью p, 1 %

Исходные данные:

F – площадь водосбора, 350 км²;

h_p – слой стока весеннего половодья обеспеченностью p,1 %;

k_о – коэффициент, характеризующий дружность весеннего половодья (определяется по данным рек-аналогов) – 6 ;

n – районный показатель редукции – 1;

с – коэффициент, характеризующий снижение редукции в зоне малых площадей водосбора – 2,5;

µ_p – коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимального расхода воды – 7;

δ, δ₁, δ₂ – коэффициенты, учитывающие снижение модуля максимального стока под влиянием озерности, залесенности, заболоченности (соответственно 0,2; 0,1; 0,35).

Решение:

Задача 23

Определить величину интенсивности растворения карстующихся пород (Qk) и величину карстовой эрозии (Hk)

Исходные данные:

М_п.с. – модуль подземного стока;

Q_k – масса растворенной породы, выносимой подземными водами, контролирующими карстовый процесс;

С_к и С_н – конечное и начальное содержание ионов (к – катионов, а – анионов), образующихся при растворении тех или иных карстующихся пород (начальное содержание – содержание в атмосферных осадках; конечное – в подземных водах, дренирующих породы карстующегося массива);

n – коэффициент, равный 2,5 для кальцита и каменной соли и 3,8 – для гипса;

p – плотность карстующихся горных пород (для каменной соли 2,2 г/см², для гипсов и мела – 2,3 г/см², для известняков и доломитов – 2,4 г/см²).

Величина карстовой эрозии H_k – условное снижение земной поверхности в единицу времени, соответствующее объему вынесенного подземными водами карстующейся породы:

Решение:

1. Определяется величина интенсивности растворения карстовых пород:

Q_k = М_п.с.·(С_к – С_н)_к,а = М_п.с.·n(С_к – С_н)_к,а (г/с·км²)

1. Определяется величина карстовой эрозии:

Задача 24

Определить водность реки (объем водного потока Q_пол) при дождевом паводке

Исходные данные:

F – водосборная площадь реки с обеих берегов;

l – расстояние между 1 и 2 створами реки (участком реки, подверженным влиянию ливневых осадков);

ε_t – удельный приток в реку дождевого стока (м³/с);

l_t - ширина водосбора в створе в момент времени t;

Н₁ и Н₂ – глубина в створах фронтов 1 и 2;

V₁ и V₂ – скорости установившегося невозмущенного движения речного потока (в отсутствие дождя);

α_q – коэффициент стока при обеспеченности расхода воды q;

Н_Т – расчетное количество осадков (мм), связанное с силой ливня S (мм/мин) и расчетной продолжительностью осадков Т* соотношением: НТ=S(60Т*)¹/³;

τ – безразмерное время, равное: τ =t/T_ст (T_ст – время с начала нарастания дождя до добегания дождевого стока после полного прекращения дождя с края водосборной площади F до бровки реки дождеприемника) или τ=(n/m+n)^1/m ;

n, m – показатели степени кривой, аппроксимирующей гидрограф дождя;

q – величина с размерностью единичного (удельного) расхода воды;

ß – средняя ширина речного русла в пределах длины l;

τ *= 0,5 τ – время наибольшей высоты волны дождевого паводка.

Решение:

1. Определяем с₁ и с₂ – скорости фронтов течения водного потока в реке на 1 и 2 створах

c₁=V₁± qH₁

c₂=V₂± qH₂

2. Определяем W_t – полный объем дождевой воды в реке с начала ее поступления до момента времени стекания со склонов остатков дождя:

Т_ст

W_t=2∫ ε_t l_td_t или W_t=10³α_qН_ТF

3. Определяем водность реки (объем водного потока Q_пол) при дождевом паводке