Информационное занятие в Академии Гражданской защиты МЧС России

12 мая 2010 г. специалисты ГУ "Московский ЦГМС-Р" провели в Академии Гражданской защиты МЧС России информационное занятие по теме "Модернизация гидрологической наблюдательной сети". На лекции присутствовал руководящий и научно-преподавательский состав Академии.

Текст доклада по теме "Модернизация гидрологической наблюдательной сети"

Гидрологическая наблюдательная сеть России – одна из старейших в мире. Визуальные наблюдения над уровнем воды в Неве начались еще с постройки Санкт-Петербурга по указу Петра 1. Первый организованный ГП был открыт 1851 году на Неве в деревне Ново-Саратовке. Массово гидрологические посты (ГП) начали открываться в 1870-90-х гг. на таких крупных судоходных реках как Волга, Ока, Северная Двина, Днепр, Десна, Дон. Старейший ГП Московской области – Кашира на Оке – начал действовать с апреля 1877 года. Вторая волна развития наблюдательной гидрологической сети пришлась на 20-40 гг. 20 века и была связана с индустриализацией. К 1941 году на территории СССР функционировало 4463 ГП. Во время Великой Отечественной Войны большинство ГП продолжало работать, и даже открывались новые посты. Например, пост в Коломне на реке Москва был открыт на месте важнейшей переправы в 1942 году. Война внесла коррективы и в программу работ. В регулярные наблюдения вошло измерение толщины льда на всех реках с устойчивым ледоставом. Следующий этап развития приходится на послевоенный период с конца 1940-х гг. по 1970-е гг., когда было открыто большинство действующих ГП. Со второй половины 70-х годов началась оптимизация гидрологической наблюдательной сети, и некоторые посты были закрыты или законсервированы. Со второй половины 90-х годов закрытие постов происходило в связи с отсутствием финансирования. В 2000-х годах количество ГП стабилизировалось. В настоящее время на территории России действуют 3085 ГП, из них 2731 речных и 354 озёрных.

Однако настоящая плотность наблюдательной сети существенно ниже плотности, рекомендуемой Всемирной Метеорологической организацией (ВМО). ГП не хватает для надежного прогнозирования водного режима рек. Кроме этого боле 10% ГП работают временно или по сокращенной программе наблюдений по причине отсутствия наблюдателя, разрушения постовых устройств или нехватки приборов. Нехватка ГП связана и ростом числа потребителей гидрологической информации, особенно в районах с активным строительством.

Состав и техническое состояние средств измерения вызывает большие опасения. 80-90% приборов выработали технический ресурс и не подлежат модернизации. Гидрометрические вертушки, которыми оснащена наблюдательная сеть, сняты с производства 15-20 лет назад, и их ремонт затруднен из-за отсутствия запасных частей. Кроме этого, даже морально и физически устаревшего оборудования не хватает.

Возникают проблемы и в области организация сбора информации. Как известно, наблюдения на ГП проводятся два раза в сутки в 08 и 20 часов местного времени или при резком подъёме уровня воды учащенно.

Данные наблюдений заносятся наблюдателем в специальную водомерную книжку, которая в конце месяца высылается по почте на гидрологическую станцию, где проводится первичная обработка информации. Некоторые ГП передают данные оперативно по мобильной связи в службу сбора данных. Ручная запись больших объемов информации, пересылка водомерных книжек по почте существенно замедляют процесс сбора информации.

Было принято решение о создании современной системы наблюдений, которая

1) повысила бы уровень безопасности населения, особенно в паводкоопасных районах;

2) улучшила бы качество гидрологической информации, предоставляемой потребителям и 3) использовала бы новые технологии сбора данных наблюдений.

Для этого необходимо:

– оптимизировать состав, пространственное размещение и программу работ ГП с учётом необходимости увеличения численности наблюдательной сети;

– повысить точность наблюдений и уровень надежности поступления оперативной информации путем внедрения современных средств наблюдения, приборов и средств связи;

– разработать и внедрить современные методы и технологии обработки оперативной информации для улучшения прогнозирования показателей гидрологического режима рек.

В настоящее время на гидрологических постах проводятся следующие наблюдения и работы.

Наблюдения

• за уровнями воды;
• за температурой воды;
• за явлениями ледового режима (визуально);
• за толщиной льда, шуги и высотой снега на льду;
• за распространением водной растительности (визуально);
• за уклоном водной поверхности;
• за метеорологическими характеристиками (по программе дополнительных работ).

Работы

• определение расходов воды;
• определение расходов взвешенных наносов;
• отбор единичных проб воды на мутность;
• отбор проб воды для определения гранулометрического состава взвешенных наносов;
• отбор проб грунта для определения гранулометрического состава донных наносов;
• отбор проб для определения химического состава.

К наиболее важным относятся наблюдения за уровнями и температурой воды, явлениями ледового режима. Они выполняются на всех действующих ГП. Такие сложные работы как измерения расходов воды выполняются не везде. Например, в Московской области из действующих 34 ГП (рис.1) измерения расходов проводятся только на 9. Они расположены на важнейших реках области – Оке, Москве, Истре и некоторых других. Данные с ГП поступают на 2 гидрологические станции, где проводится первичная обработка информации.

Рис.1. Действующие гидрологические посты ГУ "Московский ЦГМС-Р"

1 Ока – Серпухов, 2 Ока – Кашира, 3 Ока – Коломна, 4 Москва – Барсуки, 5 Москва – Марфин Брод, 6 Москва – Звенигород, 7 Москва – П.Дальнее, 8 Москва – Заозерье, 9 Москва – Коломна, 10 Лама – Егорье, 11 Дубна – Вербилки, 12 Осетр – Маркино, 13 Лусянка – Черники, 14 Искона – Новинки, 15 Руза – Покров, 16 Волошня – Чертаново, 17 Озерна – Городище, 18 Истра – П.Слобода, 19 Катыш – Троицкое, 20 Малая Истра – Киселево, 21 Пахра – Ст. Фабрика, 22 Нерская – Куровское, 23 Северка – Покровское, 24 Клязьма – Орехово-Зуево, 25 Воря – Мишнево, 26 Нара – Наро-Фоминск, 27 Протва – Верея, 28 Медвенка – Б.Сареево, 29 Закза – Б.Сареево, 30 Иваньковское вдхр. – Дубна, 31 Истринское вдхр. – г/у, 32 Озернинское вдхр. – Ново-Волково, 33 Рузское вдхр. – Солодово, 34 Сенежское оз. – Солнечногорск

Рассмотрим, как в настоящее время выполняются измерения уровня воды. Они производится на специально оборудованных водомерных устройствах, которые бывают двух типов (рис.2).

Водомерный пост свайного типа представляет собой сваи, установленные в одном створе перпендикулярно течению реки. Наблюдатель измеряет уровень воды переносной рейкой над нулём графика поста, условной горизонтальной плоскостью сравнения. Практически нуль графика выбирается примерно на 0,5 м ниже наблюдавшегося наинизшего уровня воды, чтобы избежать отрицательных значений.

На гидрологических постах реечного типа рейку прочно прикрепляют к опорам мостов и других гидротехническим сооружениям.

Рис.2. Водомерный пост свайного (1) и реечного (2)типа

В мае-июне 2010 г. по проекту модернизации в ГУ "Московский ЦГМС-Р" поставляются автоматические водомерные посты, которые в автономном режиме проводят измерения и передают данные в центр сбора. 4 автоматических гидрологических комплекса (АГК) будут установлены на р.Москве в с.Петрово-Дальнем, г.Коломне, на р.Оке в г.Кашире, на притоке р.Москвы – р.Воре. В г.Коломне планируется установка АГК на водно-спасательных станциях. Их сотрудники смогут оперативно получать информацию об уровнях воды.

АГК (рис. 3) представляет собой железную будку, установленную на берегу реки вне зоны возможного затопления, и датчик уровня, находящийся в реке. В будке находятся контроллер для сбора данных, модем для передачи данных и аккумулятор. В Московский центр поставляются датчики двух видов: гидростатические и барботажные. АГК измеряют уровень воды с заданной частотой и передают данные в центр сбора по модему. Частота измерений ограничивается надобностью и ёмкостью аккумулятора. При измерении два раза в сутки аккумулятор может работать без подзарядки до 2 месяцев.

Для АГК задается опасный уровень воды, по достижении которого измерения могут проводиться чаще, и данные передаваться по нескольким адресам, например, и в службу сбора данных, и в МЧС, и местной администрации.

Уровнемеры сделаны в Германии фирмой SEBA и требовательны к условиям эксплуатации. Нельзя допускать замерзания датчика. Для этого датчик необходимо установить как можно дальше от берега.

В некоторые области поступают АГК, оснащенные радарами. Они могут проводить измерения как уровней воды, так и расходов воды. Датчики закрепляют на опорах моста или других гидротехнических сооружениях. Такой комплекс будет установлен в Тульской области на Оке в Алексине.

Рис.3. Автоматический гидрологический комплекс (АГК)

Измерение расходов воды.

В настоящее время измерение расхода воды выполняется с помощью гидрометрической вертушки (рис.4) и занимает от 1-2 часов на малых реках до 6-8 на крупных реках. Перед началом работ необходимо определить створ, в котором будут проводиться измерения. Он должен быть строго перпендикулярен течению реки. После назначения створа можно переходить к измерению глубин. Оно выполняется наметкой или прикрепленным к лебедке гидрометрическим грузом. На основании промеров глубин строится поперечный профиль русла, и назначаются вертикали, где будут измеряться скорости течения. Они должны выбираться примерно через равное расстояние и совпадать с местами резкого изменения глубины. Затем гидрометрической вертушкой, закрепленной на штанге или лебедке, измеряются скорости потока. Вертушка устроена таким образом, что при вращении лопастей через определенное количество оборотов замыкается контакт и издается звуковой сигнал. Таким образом, по звонкам подсчитывается количество оборотов за минуту и определяется скорость течения. На каждой вертикали скорость измеряется в нескольких точках. Количество точек определяется глубиной потока в зависимости от глубины. Затем проводят вычисления расхода воды. Для каждой вертикали определяют среднюю скорость. Далее рассчитывается площадь водного сечения и средняя скорость между вертикалями. По их произведению определяется частичный расход воды в отсеках между вертикалями. Расход воды есть сумма частичных расходов. Измерения расходов гидрометрической вертушкой в половодье, когда в реке проходит большой объём воды, не только трудно физически, но и опасно для специалиста-гидролога.

Рис.4. измерение расхода воды гидрометрической вертушкой

Для ускорения и упрощения проведения полевых гидрологических работ на гидрологическую сеть поставляются мобильные гидрологические лаборатории. Они позволяют, выехав на место, оперативно и максимально точно произвести необходимые измерения. В состав лаборатории входят средства измерения расхода воды, средства для высотной геодезической привязки, средства для измерения гидрохимических характеристик, оборудование для ремонта и восстановления инженерного обеспечения постов, средства жизнеобеспечения и связи. Все оборудование помещается в автомобиль УАЗ-Патриот, для работ на реках и озерах в состав лаборатории входит лодка с подвесным мотором. Поступившее оборудование сертифицировано на территории России и сейчас находится в опытной эксплуатации.

Наиболее простой прибор для измерения расхода воды, входящий в лабораторию, – измеритель скорости потока немецкой фирмы ОТТ (рис.5)

Рис.5. Измерение расхода воды с помощью измерителя скорости потока ОТТ

Датчик прибора закрепляется на штанге и позволяет определять расход воды стандартным методом по скоростям течения в точках скоростных вертикалей. Кроме скорости течения прибор показывает и глубину благодаря встроенному датчику давления.

Определение скорости потока связано с эффектом Доплера. Датчик посылает сигналы определенной частоты. Они отражаются от минеральных и органических частиц, взвешенных в воде, и возвращаются обратно к датчику, но уже другой частоты. Частота отраженного сигнала зависит от скорости движения частиц. По разнице частот излученного и отраженного сигналов и определяется скорость движения частиц, то есть скорость потока.

Измерения можно проводить по программе. Вначале работ в блок управления вводится информация о ширине реки, расстоянии между вертикалями и выбирается способ измерения скорости на вертикали – от дна к поверхности или наоборот. Далее надо действовать по порядку, который предлагает прибор: измерение глубины вертикали, скорости у дна, на половине глубине и у поверхности. Затем переходим на следующую вертикаль. По окончании измерений прибор выдает значение расхода воды, средней скорости течения, площади водного сечения и средней глубины. При желании данные из блока управления можно перенести на компьютер и посмотреть их более детально.

Таким образом, с помощью измерителя скоростей ОТТ расход воды измеряется стандартным методом, а время измерений сокращается в основном за счет автоматизированного расчета расхода воды. Этот прибор подходит для работы на малых или заросших реках.

Для работ на средних и крупных реках предназначены акустические профилографы.

Измерение скоростей в них так же основано на эффекте Допплера. Но благодаря сложному программному обеспечению они позволяют получать данные в режиме реального времени.

Технически измерения расходов воды проводятся несложно и занимают по времени не более 2 часов, в отличие от стандартного измерения вертушкой. Как показала опытная эксплуатация, численное расхождение расходов воды, измеренного профилографом и вертушкой, составляет не более 5-7%, что не превышает погрешности измерений. Профилографы произведены в США фирмой RD Instruments и находятся на вооружении как гидрометеорологической сети, так и ВМФ.

Профилограф Rio Grande (рис. 6) работает от обычного аккумулятора в 12 В и подключается к ноутбуку через com-порт. На ноутбуке установлено программное обеспечение, позволяющее управлять измерениями. Благодаря 4 датчикам прибор определяет пройденное расстояние и вносит коррекцию в расчеты, если измерения проводятся в створе, не строго перпендикулярном оси потока. Сам профилограф на специальном плотике закрепляется за лодкой. Лодка медленно движется от одного берега к другому перпендикулярно оси потока. Важно, чтобы скорость лодки не превышала скорости потока. На мониторе компьютера отображаются текущие глубины, скорости течения и расход воды на данный момент времени.

Скорость течения измеряется в ячейках, размер которых зависит от глубины потока. В среднем их размер 40см на 40см. Достичь такой детальности гидрометрической вертушкой практически не возможно.

Минимальная глубина, с которой профилограф начинает измерения, – 0,5 м. В тех частях профиля, где прибор не смог провести измерения, программой выполняется экстраполяция. Если река мелкая, то зона экстраполяции будет больше зоны с измерениями, что скажется на точности. Поэтому Rio Grande лучше использовать на больших реках.

Рис.6. Акустический допплеровский профилограф Rio Grande

Для измерения на средних реках с глубинами до 4 м подходит небольшой профилограф Stream Pro (рис. 7). Он также позволяет увидеть данные об измеренных расходах воды в режиме реального времени, но имеет более простое программное обеспечение и может работать как с ноутбуком, так и с КПК. Питание идет за счет 8 обычных пальчиковых батареек. С компьютером соединяется по беспроводной связи Bluetooth. Закрепленный за лодкой датчик так же медленно двигается поперек реки и проводит измерения, как и большой профилограф Rio Grande.

Рис.7. Акустический допплеровский профилограф Stream Pro

Кроме оборудования для измерения расхода воды в состав лаборатории входят геодезический приборы: оптический нивелир Leica, электронный тахеометр TOPCON и спутниковый GPS-ГЛОНАСС приёмник TOPCON (рис. 8).

Рис.8. Оптический нивелир Leica (1), электронный тахеометр TOPCON(2) и спутниковый GPS-ГЛОНАСС приёмник TOPCON(3)

Для определения гидрохимических характеристик пресных вод в лабораторию включен специальный зонд HYDROLAB MS5 (рис.9). Он представляет собой трубку длинной около метра, в которую заключены различные датчики. Их может быть более 8. В состав зонда, поступившего в ГУ "Московский ЦГМС-Р", входят всего 4 – датчик температуры, датчик рН, датчик электропроводности и датчик растворенного кислорода. Раньше для проведения даже таких простых анализов надо было брать 4 разных прибора.

Рис.9. Гидрохимический зонд HYDROLAB MS5

Таким образом, с помощью мобильной гидрологической лаборатории специалисты-гидрологи могут максимально быстро и точно провести необходимые измерения на реках любого размера и оперативно передать результаты в центр сбора данных и при необходимости в МЧС.

Начало