Мельник Т.П.

Національний університет водного господарства та природокористування

м. Рівне

ЕЛЕМЕНТИ МАТЕМАТИЧНОГО ТА ПРОСТОРОВОГО

МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСІВ ФОРМУВАННЯ ДОЩОВОГО СТОКУ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ ПАВОДКОВИХ СИТУАЦІЙ НА ВОДОЗБОРАХ МЕЛІОРАТИВНИХ СИСТЕМ БАСЕЙНУ РІКИ БОРЖАВА

Територія дослідження розміщена серед гірських та рівнинних ландшафтів. Гірські ландшафти відносяться до верхньої та передгірної частини басейну р.Боржава. Рівнинні ландшафти характерні для нижньої частини басейну р.Боржава (Чоп-Мукачівська низовина і Іршавська улоговина) .

В басейні ріки поверхневий стік носить нерівномірний характер: потоки води діляться на рукава на висоті і повністю заповнюють низовину. Вивченням гідравліки потоку займався Емметт [5]. Його дослідження показали, що відношення, отримані на основі вивчення потоків на лабораторних моделях нахилів, неадекватно описують реальні умови [2]. В теорії гідравліки допускається, що швидкість потоку зв’язана з глибиною для ламінарного потоку:

(1)

Для турбулентного потоку:

(2)

Де - середня швидкість потоку, d – середня глибина потоку і f – коефіцієнт тертя, який зменшується з глибиною.

Результати польових досліджень, отримані відповідно на схилах покритих рідкою рослинністю, свідчать, що залежність виглядає таким чином:

, (3)

де показник степеня змінюється в діапазоні від 0 до 1 навіть у випадку, коли отримані числа Рейнольда повністю можуть відповідати ламінарному режиму потоку.

Простий метод розрахунку поверхневого стоку був запропонований Бевеном в його праці [4]. Згідно цього підходу, вода, яка знаходиться в пониженнях з середньою глибиною , припускається нерухомою. Шар води, який перевищує цю глубину, рухається з постійною швидкістю . Таким чином, отримаємо

, (4)

Як було встановлено, що такий підхід справедливий для річок з швидкістю течії, яка не перевищує =1м/с. По даних Еммета, отриманих для поверхневого стоку, характерне значення складає приблизно 35 мм/с, середня ємкість депресій при градієнті 0,03 рівна 1,4мм; при градієнті 0,33 вона понижується до 0,04мм [5]. Якщо побудувати графіки залежності швидкості від глибини потоку в логарифмічному масштабі, то можна визначити, що при значеннях d, близьких до , ймовірне значення показника степеня на глибині (у (3)) складає 1,0. При великих глибинах наближається до нуля. Позитивною стороною цього підходу до розрахунку параметрів потоку служить те, що в ньому швидкість кінематичної хвилі

(5)

Є постійною для усіх ненульових значень глибини потоку[2].

На ділянках, де потік стає досить зорієнтованим, починаються турбулентні явища і ерозія, яка спонукає створенню промоїн. Наявність промоїн іще в більшій степені стимулює цей процес за принципом оберненого зв’язку, так як збирається все більший об’єм води. Досить часто в проміжку між зливами промоїни заповнюються обламковим матеріалом, і тоді на новому місці створюються нові промоїни. В багаторічному розрізі це створює регіональну, але не локальну ерозії поверхні землі. Однак, у випадку, якщо промоїни досягають достатньо великих розмірів, щоб зберігатися від року до року, вона може перерости в постійне русло. По мірі того як потік стає все більш зорієнтованим, його кінематична хвильова швидкістьзбільшується, прямуючи до значення швидкості у водотоці. У зв’язку з цим при розрахунку параметрів поверхневого стоку слід взяти до уваги густоту річкової мережі.

В умовах коли формується поверхневий стік виділеного Хортоном типу, тобто коли інтенсивність опадів перевищує граничну швидкість інфільтрації, він проходить практично по усій площі водозбірного басейну. Рух води по поверхні землі до русла водотоку, визначає форму гідрографа. Вудінгом [3] було отримано числовий розв’язок для поверхневого стоку при постійній швидкості інфільтрації. Потік води по поверхні землі розглядається при цьому як кінематична хвиля. Приймається також, що динаміка потоку описується рівнянням Маннінга ( , де = ). Така ситуація характерна для районів з напівсухим кліматом [2].

В районах, де переважає поверхневий стік, який формується в умовах надлишкового насичення, ділянки зтаким типом стоку, як правило, являють собою вузьку стрічку вздовж дна долини і дещо розширену біля джерел. Відповідно, відстань, на яку вода зміщується з поверхневим стоком, і час затримки стоку у відкритих каналах дудуть малими. У випадках, коли величина поверхневого стоку приймалася приблизно рівною 35мм/с, кінематична хвиля буде пробігати 125 м в годину. Гідрограф поверхні стоку буде вже визначатися іншими механізмами затримки. Найбільш сутнісний із них – механізм затримки, який зв’язаний з необхідністю затрат деякого періоду часу, який необхідний для повного насичення зволожених територій на початку зливи. Зазвичай площа території поверхневого стоку наростає від витоку вверх по нахилі, так що, наступні ділянки, які розміщені вище по нахилі, починають брати участь в поверхневому стоці, який виникає за рахунок надлишкового пересичення, все з більшим і більшим запізненням. В цьому випадку при розв’язуванні більшості задач, які виникають у зв’язку з прогнозуванням загрузки в основі нахилів, можливо не враховувати затримку стоку на відкритих нахилах[2].

Русловий стік формують дощі та танення снігу. Середня кількість опадів 1181,4мм, максимальне снігове покриття може досягати 90см. Територія лісу становить 46,3%-території басейну, пасовища – 22% [1].

По своєму режиму річка Боржава відноситься до причорноморського типу, характерною особливістю якого є наявність паводків протягом більшої частини року, нестійкої літньо-осінньої та зимової межені, весняних та осінніх паводків, що формуються як талими так і дощовими водами, які мають перевагу в живленні річок.

За даними ВАТ «Укрводпроекту»:

Таблиця 1 - Максимальні рівні води в р. Боржава, Іршавка

Ріка	Пункт	Листопад 1998 р.		Березень 2001 р.			Різниця (см)
		Максим. рiвень, см	Перевще-ння над передпав. рівнем, см		Масим. рівень, см	Переви- щення над передпав. рівнем,см
Боржава	Довге	547	392		502	368	-45
Боржава	Шаланки	890	638		870	654	-20
Іршава	Іршава	280			210	215	-70
Примітка: * Величини уточнені Гідрометцентром України в травні 2001 р.

Таблиця 2 - Мінімальні рівні води в р. Боржава

Ріка	Пункт	Період спостережень	Відмітка "0" графіка, мБС	Hmin за період спостережень, см над "0" графіка	Дата
Боржава	Довге	1946-99	168,35	113	20.09.,05.10.1999
Боржава	Шаланки	1961-99	114,32	0	28.09.,03.10.1973

Умови формування стоку р. Боржава та її приток обумовили відповідний режим внутрішньорічного розподілу стоку річок. Живлення річок змішане: снігове, дощове та ґрунтове, з різною долею участі кожного з них в загальному стоці. До 40% річного стоку проходить в березні-квітні під час весняної повені, що формується звичайно за рахунок тало-дощових вод; літом-восени проходить до 40-45%, а зимою 15-20%. Доля зимового стоку до гирла річок підвищується. Із зменшенням водності року доля весняного стоку зменшується, а зимового - збільшується. Дощові паводки спостерігаються в будь-який період року, а зимою під час відлиг буває декілька змішаних паводків.

Найбільші максимальні витрати води в каналах спостерігаються в березні та лютому місяцях.

Найменші середньомісячні витрати води характерні для вересня-жовтня, коли небагато опадів, значне випаровування і ґрунтові води низькі.

Верхів'я р. Боржави та її приток являють собою вузькі потоки з доволі високою швидкістю течії. Русла їх переважно складені камінням, зустрічаються нагромадження валунів. Похил русла досягає десятків метрів на 1кілометр. На значній протяжності річка тече серед лісу. Вниз по течії починає простежуватись характерна V-подібна долина з вузькою заплавою (або без неї) і крутими схилами. Дно, зазвичай, складено галькою. При виході річок із гір річкова долина набуває трапецієподібної форми, розширюючись перед с. Дубравка до 1 км і більше [1].

Довгострокове прогнозування стоку виконується на основі гідрометеорологічної обстановки, що склалася на час випуску прогнозу, прогнозу опадів та середньобагаторічних значень дефіцитів вологості повітря і грунту за період, на який видається прогноз. Такі прогнози дозволяють завчасно підготуватися до паводку чи бездощового періоду. Підготовка визначення об'єму води, зарегульованого в каналах, ставках і водосховищах, призначення часу попереднього шлюзування та тривалості відведення води залежно від очікуваного об'єму паводку чи тривалості бездощового періоду.

Прогнозні обчислення об'ємів паводків на осушувально-зволожувальних системах показали, що провідна мережа цих систем не зможе пропустити паводкові води без затоплення території.

Однак після закінчення періоду збирання урожаїв рівень води у протипаводкових водосховищах меліоративних систем був понижений до мертвого об'єму з метою перехоплення наступного повеневого стоку і, таким чином, акумулюючі ємкості на системах перед паводком були близькими до максимально можливих.

При використанні цих моделей для обчислення дощового стоку обмежених за площею водозборів, є можливість визначення параметрів, які його характеризують. У випадку виконання прогнозних розрахунків для великих територій, моделі дозволяють здійснювати обчислення по часткових площах і скласти карти ізоліній об’ємів стоку паводку, що має значну практичну цінність в масштабі водозбірного басейну.

Література:

1. Концепція розвитку протипаводкового захисту, водного господарства та оновлення заплавних територій в регіоні Берег та басейні р.Боржава.-Київ: ВАТ «Укрводпроект».-2006.

2. M.G. Anderson, T.P. Burt Hidrological forecasting// A Wiley – Interscience Publication.-John Wiley & Sons.-1988.

3. Лазарчук Н.А., Петрук В.А. Математичне моделювання дощового стоку на осушуваних системах гірських районів України // Екологічні проблеми при зрошенні і осушенні: Тези докладів міжнар. конф. - Київ, 1993. - С. 80-89.

4. Beven K.J. (1979) On the generalized kinematic routing method. Water Resources Research, 15 (5), 1238-1242.

5. Emmet W.W. (1970) The hydraulics of overland flow on hillislopes. US Geol Surv. Prof. Paper 662A.