В гидрологии , маршрутизация является методом , используемым для прогнозирования изменения в форме гидрографа как вода двигается через русло реки или водоем . При прогнозировании наводнений гидрологи могут захотеть узнать, как изменится кратковременный проливной дождь в районе выше по течению от города, когда он достигнет города. Маршрутизация может использоваться, чтобы определить, достигает ли город пульс дождя как наводнение или струйка.
Маршрутизация также может использоваться для прогнозирования формы гидрографа (и, следовательно, потенциального затопления низин) после нескольких дождей в различных подводных бассейнах водосбора. Время и продолжительность выпадения дождя, а также такие факторы, как предшествующие условия влажности, общая форма водосборного бассейна, а также форма подпочвенного водосбора, уклоны суши (топография / физиография), геология / гидрогеология (т.е. леса и водоносные горизонты могут служить гигантскими губками. которые поглощают осадки и медленно высвобождают их в последующие недели и месяцы), и здесь большую роль играет длина участков реки. Результатом может быть аддитивный эффект (т. Е. Большое наводнение, если соответствующий пик гидрографа каждого субслова достигает устья водораздела в один и тот же момент времени, тем самым эффективно вызывая «суммирование» пиков гидрографа) или более распределенное в- временной эффект (то есть продолжительное, но относительно небольшое наводнение, эффективно ослабленное во времени, поскольку отдельные пики субслова достигают устья основного водосборного русла в упорядоченной последовательности).[1] [2] [3]
Другие применения маршрутизации включают проектирование водохранилищ и каналов, исследования поймы и моделирование водосборов. [4]
Если расход воды в определенной точке A в ручье измеряется с течением времени с помощью расходомера, эту информацию можно использовать для создания гидрографа . Короткий период сильного дождя, обычно называемый наводнением , может вызвать выпуклость на графике, поскольку повышенная вода течет вниз по реке, достигает расходомера в точке A и проходит вдоль нее. Если установить другой расходомер в точке B, ниже по потоку от точки A, можно ожидать, что выпуклость графика (или волна наводнения) будет иметь такую же форму. Однако форма реки и сопротивление потоку в реке (например, со стороны русла реки ) могут повлиять на форму паводковой волны. Часто волна паводка ослабляется (имеет уменьшенный пиковый поток).
Методы маршрутизации можно в широком смысле классифицировать как гидравлическую (или распределенную) маршрутизацию , гидрологическую (или сосредоточенную) маршрутизацию или полураспределенную маршрутизацию . В целом, исходя из имеющихся полевых данных и целей проекта, выбирается одна из процедур маршрутизации.
Гидравлическая (или распределенная) трассировка
Гидравлическая трассировка основана на решении дифференциальных уравнений в частных производных нестационарного течения в открытом канале . Используемые уравнения - это уравнения Сен-Венана или соответствующие динамические волновые уравнения. [5] [6]
Гидравлические модели (например, модели динамических и диффузионных волн) требуют сбора большого количества данных, связанных с геометрией и морфологией реки, и потребляют много компьютерных ресурсов для численного решения уравнений. [7] [8] [9]
Гидрологическая (или сосредоточенная) маршрутизация
Гидрологический маршрут использует уравнение неразрывности для гидрологии. В своей простейшей форме приток к участку реки равен оттоку участка реки плюс изменение водохранилища:
- , где
- I - средний приток к досягаемости за
- O - средний отток из досягаемости во время; а также
- S - это вода, которая в настоящее время находится в пределах досягаемости (известная как хранилище)
Гидрологические модели (например, линейные и нелинейные модели Маскингама ) должны оценивать гидрологические параметры с использованием записанных данных как в верхнем, так и нижнем течении рек и / или путем применения надежных методов оптимизации для решения одномерного уравнения сохранения массы и непрерывности хранения. [10]
Полураспределенная маршрутизация
Также доступны полураспределенные модели, такие как семейные процедуры Маскингама – Кунджа . Простые физические концепции и общие характеристики реки, такие как геометрия русла, длина участка, коэффициент неровности и уклон, используются для оценки параметров модели без сложных и дорогостоящих численных решений. [11] [12] [13]
Маршрутизация наводнения
Маршрутизация паводка - это процедура для определения времени и величины потока (т. Е. Гидрограф потока) в точке водотока на основе известных или предполагаемых гидрографов в одной или нескольких точках выше по течению. Эта процедура, в частности, известна как маршрутизация Flood , если поток является флудом . [14] [15] После маршрутизации пик уменьшается, и появляется временная задержка. Чтобы определить изменение формы гидрографа паводка по мере его прохождения через естественную реку или искусственный канал, можно использовать различные методы моделирования наводнения. Традиционно могут быть использованы гидравлические (например, модели динамических и диффузионных волн) и гидрологические (например, линейные и нелинейные модели Маскингама ) процедуры трассировки, которые хорошо известны специалистам в области гидравлики и гидрологии как распределенные и сосредоточенные способы соответственно. Гидрологические модели должны оценивать гидрологические параметры с использованием зарегистрированных данных как в верхнем, так и в нижнем течении рек и / или путем применения надежных методов оптимизации для решения одномерного уравнения сохранения массы и непрерывности хранения. [16] С другой стороны, гидравлические модели требуют сбора большого количества данных, связанных с геометрией и морфологией реки, и потребляют много компьютерных ресурсов для численного решения уравнений. [17] [18] [19] Однако также доступны полураспределенные модели, такие как процедуры семейства Маскингама – Кунджа . Простые физические концепции и общие характеристики реки, состоящие из геометрии русла, длины участка, коэффициента неровности и уклона, используются для оценки параметров модели без сложных и дорогостоящих численных решений. [20] [21] [22] В общем, на основе имеющихся полевых данных и целей проекта один из этих подходов используется для моделирования наводнений в реках и каналах.
Маршрутизация стока
Маршрутизация стока - это процедура для расчета гидрографа поверхностного стока по осадкам. Потери исключаются из дождевых осадков, чтобы определить избыток осадков, который затем преобразуется в гидрограф и направляется через концептуальные хранилища, которые представляют поведение сброса хранилища для наземного и руслового стока. [23] [24]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ Tague, CL и LE Band. Оценка явных и неявных маршрутов для гидроэкологических моделей водоразделов лесной гидрологии на малых водосборах. Гидрологические процессы 15, страницы 1415–1439 (2001). Доступно в Интернете по адресу http://andrewsforest.oregonstate.edu/pubs/pdf/pub3128.pdf
- ^ Пример конфигурации водораздела. Техасский университет A&M. Доступно в Интернете по адресу http://swat.tamu.edu/media/69422/Appendix-B.pdf
- ^ Определение водораздела, лекция 3. Государственный университет Юты, Агентство по охране окружающей среды США и консультанты AquaTerra. Доступно в Интернете по адресу https://www.epa.gov/sites/production/files/2015-07/documents/lecture-3-watershed-delineation.pdf
- ^ Е. М. 1110-2-1417 (1994). «Глава 9 - Трасса водотока и водохранилища» (PDF) . Анализ стока паводков . Инженерный корпус армии США. п. 9–1.[ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Чоу В. Т, Мейдмент Д. R, Мейс LW (1988). Прикладная гидрология. McGraw1Hill International Editions: Сингапур.
- Перейти ↑ Akan A. O (2006). Гидравлика открытого канала. Эльзевир, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
- ^ Чоудхури MH (1993) Open-Channel Flow. Прентис Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, США.
- ^ Самани НМ В, Г. Shamsipour А (2004). Гидрологические маршруты паводков в разветвленных речных системах с помощью нелинейной оптимизации. Журнал гидравлических исследований, 42 (1): 55-59.
- ^ Акбери Г. Н, Barati R (2012). Комплексный анализ наводнений на неуправляемых водосборах. Труды Института инженеров-строителей-водное хозяйство, 165 (4): 229-238.
- ^ Barati Я (2011), Оценка параметров нелинейных моделей Маскингама с использованием симплексного алгоритма Нелдера-Мида. Журнал гидрологической инженерии, 16 (11): 946-954.
- ^ Cunge Дж А (1969). По вопросу о вычислительном методе распространения наводнения (метод Маскингама). Журнал гидравлических исследований, 7 (2): 2051230.
- ^ Perumal M (1994). Гидродинамический вывод метода Маскингама с переменным параметром: 1. Теория и процедура решения. Журнал гидрологических наук, 39 (5): 431–442.
- ^ Барати Р., Акбари Г. Х. и Рахими С. (2013) Маршрутизация паводков в неуправляемом речном бассейне с использованием модели Маскингама – Кунджа; полевые приложения и численные эксперименты. Каспийский журнал прикладных научных исследований, 2 (6): 08-20.
- ^ Чоу В. Т, Мейдмент Д. R, Мейс LW (1988). Прикладная гидрология. McGraw1Hill International Editions: Сингапур.
- Перейти ↑ Akan A. O (2006). Гидравлика открытого канала. Эльзевир, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США.
- ^ Barati Я (2011), Оценка параметров нелинейных моделей Маскингама с использованием симплексного алгоритма Нелдера-Мида. Журнал гидрологической инженерии, 16 (11): 946-954.
- ^ Чоудхури MH (1993) Open-Channel Flow. Прентис Холл, Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси, США.
- ^ Самани НМ В, Г. Shamsipour А (2004). Гидрологические маршруты паводков в разветвленных речных системах с помощью нелинейной оптимизации. Журнал гидравлических исследований, 42 (1): 55-59.
- ^ Акбери Г. Н, Barati R (2012). Комплексный анализ наводнений на неуправляемых водосборах. Труды Института инженеров-строителей-водное хозяйство, 165 (4): 229-238.
- ^ Cunge Дж А (1969). По вопросу о вычислительном методе распространения наводнения (метод Маскингама). Журнал гидравлических исследований, 7 (2): 2051230.
- ^ Perumal M (1994). Гидродинамический вывод метода Маскингама с переменным параметром: 1. Теория и процедура решения. Журнал гидрологических наук, 39 (5): 431–442.
- ^ Барати Р., Акбари Г. Х. и Рахими С. (2013) Маршрутизация паводков в неуправляемом речном бассейне с использованием модели Маскингама – Кунджа; полевые приложения и численные эксперименты. Каспийский журнал прикладных научных исследований.
- ^ Лоренсон, Е. (1964). Модель водосборного бассейна для маршрутизации стока. Журнал гидрологии, 2 (2): 141-163.
- ↑ Mein, RG, EM Laurenson и TA McMahon (1974). Простая нелинейная модель для оценки паводков. Журнал отдела гидравлики Американского общества инженеров-строителей 100 (HY11): 1507-1518.