ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ МОДЕЛИ РЕКИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ИЗМЕНЕНИЯ УРОВНЯ ВОДЫ В СТВОРЕ ЗАЩИЩАЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ ОТ ВРЕМЕНИ

PARAMETERIZATION OF A RIVER MODEL AND CALCULATION OF PARAMETERS OF CHANGES IN WATER LEVEL IN THE PROTECTED AREA OVER TIME

Pankratova Viktoria Igorevna

student, Department of Ecology and Industrial Safety, Bauman Moscow State Technical University,

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

В работе проводится параметризация модели реки Кама и расчет параметров изменения уровня воды в створе защищаемой территории города Пермь от времени.

ABSTRACT

The work involves parameterization of the Kama River model and calculation of the parameters of changes in the water level in the protected area of ​​the city of Perm over time.

Ключевые слова: Чрезвычайная ситуация, гидроузел, затопление, Камская ГЭС, параметризация.

Keywords: Emergency situation, hydroelectric complex, flooding, Kama hydroelectric power station, parameterization.

Определение гидрологических характеристик для прогнозирования аварии на ГЭС является сложной и многогранным процессом, включающим различные параметры и их взаимодействие. Это может включать в себя измерение объемов воды, скорости течения, изменения уровня воды, количества осадков и других метеорологических условий. Высокоточные данные о гидрологии и метеорологии обеспечивают основу для разработки математических моделей и прогностических алгоритмов, которые могут предсказывать возможные изменения обстановки в нижнем бьефе плотины Камской ГЭС и выявлять потенциальные опасности. Значения максимальных уровней воды в резерве ГЭС приведены в таблице 1 [1, п. 3.2].

Таблица 1.

Значения максимальных уровней воды в резерве ГЭС

Для прогнозирования обстановки используются гидрологические расчеты - раздел инженерной гидрологии, в задачи которого входит разработка методов, позволяющих рассчитать значения различных характеристик гидрологического режима [2].

Для получения уровней воды в створах использовалась параметризация пространственных данных в HEC-RAS, представленная на рисунке 1.

Рисунок 1. Модель реки Кама в HEC-RAS

Для параметризации гидрологической модели в HEC-RAS [3] необходимо задать ось водотока и створы, верхнее граничное условие Q(t), нижнее граничное условие Z(Q), коэффициенты шероховатости (первое приближение) для каждого створа.

При формировании оси водотока и створов ключевое значение имеет направление оцифровки. Ось водотока векторизуется непрерывно, без разрывов, по направлению от истока к устью. Створы же задаются слева направо относительно направления течения и располагаются перпендикулярно оси водотока.

Далее строится профиль створа. Полученные векторные данные передаются в программный модуль HEC-RAS [3].

Важным шагом является задание верхнего Q(t), нижнего Q(H) или H(Q), граничных условий, полученных на этапе сбора исходных данных.

Проведя расчёты с помощью построенной модели, получим зависимости изменения уровня воды в створе защищаемой территории от времени в период с 1 апреля 2026 года по 30 июня 2026 года. Данные представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Изменение уровня воды H(t) в створе защищаемой территории от времени для обеспеченности 1%

Расчёт выполнялся при установке режима «Нестационарный поток».

Результатом работы программного модуля HEC-RAS будет отметка подъема воды H_n(t) в створе с номером n.

При построении зоны затопления средствами ИАК "Аналитик", предварительно строится матрица рельефа, далее – матрица стока.

Программа ИАК "Аналитик" производит построение матрицы глубин, границы зоны затопления и границы зон с установленными значениями глубин [4].

Для создания модели территории, в зоне которой будет происходить затопление, необходимы следующие данные: водоемы, водотоки, оси водотоков, отметки урезов воды на осях и на берегах, изолинии рельефа, береговая линия рек, водоразделы, тальвеги, бровки берегов, отдельные отметки высот.

При анализе построенной зоны затопления получаются сведения об объектах, попадающих в эту зону, а также о высоте подъёма воды. На основе этих данных принимается решение о необходимости проведения превентивных мероприятий.

Построение зоны затопления территории выполняется по следующему алгоритму:

1) Определяется расчётная область, в которой присутствуют матрица рельефа местности, матрица глубин водных объектов и матрица стока, хранящая номера элементов, через которые проходит ось основного водотока (источника опасности).

2) Ячейкам матрицы, на которых расположены створы, присваиваются значения уровня воды с учётом её подъёма на основании выполненных расчётов. Для каждой ячейки, находящейся на оси основного водотока между створами и до границы опасного участка, определяется абсолютный уровень подъёма воды с использованием линейной интерполяции или экстраполяции.

3) Для всех ячеек с известным уровнем подъёма воды выявляются соседние связанные ячейки матрицы рельефа (связь устанавливается по матрице стока), высотная отметка которых ниже абсолютной высоты уровня подъёма воды в исходной ячейке. В таких ячейках будет происходить затопление. Абсолютная высота подъёма воды в каждой затопленной ячейке соответствует абсолютной высоте подъёма воды в исходной ячейке. Глубина затопления ячейки вычисляется как разность между абсолютной высотой подъёма воды и абсолютной высотой рельефа в данной ячейке.

4) Расчет продолжается до тех пор, пока не будут проверены высоты каждой ячейки матрицы рельефа на условие её затопления.

5) Объединив все затопленные ячейки и проведя построение зоны затопления, получаем затапливаемую зону (рис. 3).

Рисунок 3. Построение зоны затопления

Для оценки соответствия модели были задействованы реальные данные о затоплении с обеспеченностью 1% (рис.4), предоставленные ГИ УрО РАН, что позволяет достоверно верифицировать и оценить точность разработанной модели [5].

Рисунок 4. Зафиксированная на местности зона затопления территории в нижнем бьефе Камской ГЭС от ГИ УрО РАН

Для определения площади зон затопления были построены контуры смоделированной зоны затопления и зоны затопления от ГИ УрО РАН. Площади территории внутри контуров были построены и рассчитаны в программе ИАК "Аналитик". Полученные значения представлены в таблице 2:

Таблица 2.

Значения площадей зон затопления

По результатам расчетов установлено, что площадь затопления, смоделированная в программе ИАК "Аналитик" составляет   169,207 км², тогда как для модели зоны затопления от ГИ УрО РАН площадь составляет - 165,826 км². Разница между полученными значениями составляет 3,381 км², что соответствует погрешности 2%. Полученные результаты свидетельствуют о несущественном различии значений площади затопления рассматриваемых моделей. Полученная величина погрешности соответствует установленным требованиям.

Таким образом, после проверки готовности модели к прогнозированию были построены зоны затопления. Модель построения зоны затопления продемонстрировала достоверные результаты, что позволяет проводить дальнейшие расчёты по оценке масштабов затопления и проектированию защитных сооружений.

Список литературы:

1. Приказ Росводресурсов от 07.11.2016 N 225 «Об утверждении Правил использования водных ресурсов Камского и Воткинского водохранилищ на р. Каме» (Зарегистрировано в Минюсте России 13.01.2017 N 45229).
2. СП 33-101-2003 «Определение основных расчетных гидрологических характеристик».
3. HEC-RAS. Software.informer [электронный ресурс] — Режим доступа: — URL: https://hec- ras.software.informer.com/ (дата обращения: 23.05.2026).
4. Информационно-аналитический комплекс по вопросам гражданской обороны и защиты населения «АНАЛИТИК» [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: http://www.esrc.ru/I/informacionno-analiticheskiy-kompleks-analitik. (дата обращения 25.05.26).
5. Оценка возможных зон затопления на картах генплана Перми и ПФ РОСНИИВХ [электронный ресурс] — Режим доступа: — URL: https://perm.aif.ru/gorod/infrastructure/122411 (дата обращения 27.05.26).