Рис.2. Застосування космічної зйомки та аерометодів в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів
швидкостей зміни площ снігу тимчасовим змінам запасів води в ньому:
Так, за відомими значеннями запасів води в сніговому покриві, які були визначені методом дистанційного зондування, складено довгостроковий прогноз весняного стоку. Загальний шар весняного стоку у наближено виражено рівнянням:
Доведено, що фізичне значення параметру р0 полягає в тому, що він дорівнює максимально можливому водопоглинанню в басейні, де W – об’єм води, що знаходиться на поверхні басейну.
За даними космічних спостережень установлений зв’язок (середнє відхилення точок від кривої 12%, максимальне – 40%) між розмірами підтоплень на гирловій ділянці і витратою води біля водпоста з врахуванням часу добігання (рис.3).
Рис.3. Залежність площі підтоплень на гирловій ділянці ріки / F / від витрати води у водомірного поста / Q / з урахуванням часу добігання /τ = 9 діб /: 1-теоретична крива, 2-експериментальна крива. F = 0,00005-0,5Q 3-0,0052 Q2 + 0,2537Q - 3,0986 ; 20 <Q <105 ; 0,1 <F <11 .
Доведено, що ця залежність має прогностичний характер: за витратою води біля водпоста можна завчасно за час добігання оцінити площу та межі підтоплення на гирловій ділянці річки. Зазначені матеріали неможливо отримати іншим методом крім зйомки з космосу. Накопичення зйомок і удосконалення систем збору даних забезпечить більш обгрунтований аналіз результатів.
У третьому розділі розглядається застосування сучасних прогресивних методів обробки даних дистанційного зондування в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів, а саме: застосування електронних карт та прив’язка космічних зображень з використанням електронних карт. Удосконалена технологія прив’язки космічних зображень з використанням електронних карт. В основу ефективної реалізації кореляційно-екстремального пошуку однойменних елементів карти і знімку покладені конструктивні підходи, а саме: була використана особливість векторно-бінарного представлення елементів карти, що дозволило в десятки і сотні разів знизити обчислювальні витрати; при суміщенні залучалася інформація про ступінь співпадання напрямків меж об’єктів карти і знімку, що дало можливість значно підвищити надійність розв’язання поставленої задачі. Доведено, що використання даних космічних знімань в ГІС-технологіях має велике значення для більш швидкого впровадження космічної інформації в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів. Поява на ринку високоточної інформації з супутників створила основу для взаємозв’язку між технологіями ГІС та системами обробки і обслуговування інформації в області дистанційного зондування Землі. При гідрологічних розвідуваннях мостових переходів використовувалися ГІС, в основу яких покладені космічні знімки, а саме: в інформаційних аналітичних системах, за допомогою яких отримали інформацію про гідрологічну мережу, наявність мостових переходів та додаткову інформацію про зони підтоплення, площу яких неважко обчислити, а також стало можливим установити площі водозбірних басейнів; в інформаційних модельованих системах, що забезпечили побудову цифрових моделей місцевості.
Поряд з використанням ГІС застосовувалося моделювання процесів стоку з використанням космічної інформації. Враховувалися об’єми води на поверхні басейну, інтегруючі процеси вологості, випаровування і фільтрації, які є безпосередньо факторами стоку, не дивлячись на обмеження, пов’язані з короткочасністю затоплень. Для розробки методики визначення площ затоплень в районі мостових переходів використовувалися результати космічних спостережень. Доведено, що між поверхневим притоком води в річкову мережу q і об’ємом води W, що знаходиться на поверхні басейну, існує близький до функціонального зв’язок:
q = f (W) .
З іншого боку, між площею басейну, покритою водою щ і W також є близький до функціонального зв’язок:
W = ц (щ) звідси q = ш(щ) .
Для визначення притоку поверхневих вод в річкову мережу розв’язані дві задачі: 1) визначена частка площі басейну, покрита водою; 2) розкрита форма зв’язку між розмірами цієї частки площі і припливом води в річкову мережу. Перша задача розв’язана визначенням площ, покритих водою, за допомогою аерокосмічних методів. Друга задача розв’язана двома шляхами або їх поєднанням, перший з них полягав в теоретико-експериментальному обгрунтуванні форми зв’язку q = ш(щ), другий опирався на розв’язання зворотньої задачі – за спостереженнями щ і q установлювалася залежність щ(q). Між об’ємом води і площею покривання басейну водою установлений зв’язок:
 ,
використовуючи очевидну умову, що  , де  - щоденні витрати води, отримали :
Для кожного паводку обчислювалися їх об’єми, а також  і  , потім установлю-валася залежність  , за якою визначалися параметри a і b.
Друга задача прогнозу витрат зводилася до розрахунку за генетичною формулою стоку (інтеграл Дюамеля) і було одержано рівняння:
Функції впливу в цих рівняннях знаходили, оптимізуючи параметри в формулах кривих добігання, які застосовувалися при розрахунках стоку.
У четвертому розділі висвітлюються теоретичні основи застосування аерометодів в гідрологічних розвідуваннях мостових переходів. Визначення типу руслового процесу і оцінка планових руслових деформацій здійснювалися з залученням аерокосмічної інформації, отриманої через певний проміжок часу. Співставленням аерофотознімків різних років доведено, що зміщення брівок берегів в плані на середніх і великих річках досягає 15 м/рік. За матеріалами аерофотозйомки масштабу 1:10000 визначені планові зміщення в середньому 5 м/рік, при цьому період приймався не менше 50 років, а максимальна похибка в визначенні шуканої величини була не більше 10%. Доведено, що чим крупніше масштаб знімання і більший період співставлення, тим точніше визначалися розміри планових деформацій русла. Вибір масштабу аерофотознімання визначається шириною долини річкової системи. Необхідно, щоб на матеріалах аерофотознімання можна було достатньо надійно віддешифрувати межі річкової долини, розповсюдження терас, положення русла в плані, в багаторічному розрізі, основні морфологічні утворення русла. Виходячи з досліджень рекомендовані такі масштаби: для великих рік (наприклад р.Дніпро) 1:100000-1:50000; для середніх рік (наприклад р.Південний Буг) 1:50000-1:25000, для малих річок (наприклад р.Ятрань) 1:25000-10000.
Для визначення крупності руслових відкладень запропоновано спосіб, який грунтується на використанні мікрофотометрування аерофотознімків з зображенням ділянок русел і подальшій статистичній обробці отриманих регістограм.
З метою оцінки впливу потоку на насип і інші берегові споруди, обгрунтування вибору напрямку осі мостового переходу, розрахунку пропускної здатності стиснутого спорудами русла і для вирішення цілого ряду інших завдань використовувалася кінематика річкового потоку. Для отримання планів поверхневих швидкостей течії запропоновано аерогідрометричний метод, перевагами якого є його оперативність, надійність і можливість виконання в короткі терміни великих об’ємів робіт, що особливо важливо при повеневому режимі рік. Поверхневі швидкості визначалися шляхом вимірювання зміщення деталей водної поверхні (спеціальних поплавків m1,m2,…..mn , які відображені на суміжних аерофотознімках Р1 і Р2, що перекриваються .
Таким чином, при побудові стереоскопічної моделі за такою парою аерофотознімків, перетин променів, які проектують зміщені точки, відбудеться в залежності від напрямку знімання вище або нижче від дійсної поверхні води.
Тому, при стереоскопічному розгляді пари знімків, поверхня води буде здаватися опуклою або угнутою тим більше, чим більше швидкість течії. Користуючись цим явищем, зміщення точок під дією течії можна виміряти за стереофотограмметричним методом з точністю 0,03-0,05мм в масштабі аерознімків. В цьому випадку різниці поздовжніх паралаксів Δp, виміряних вздовж напрямку течії відповідають величинам Δl.
Зміщення точок на аерофотознімках під дією течії аналогічні різницям поздовжніх паралаксів при відміні поверхні фотографування від площини.
Таким чином, при стереофотограмметричному методі вимірювань одержана формула для визначення значень швидкості течії Vі :
де Н – висота польоту,м; fk – фокусна відстань аерофотоапарата,мм; Δt – інтервал часу між моментами знімання, с. Дана закономірність використовувалася для визначення поверхневих швидкостей течії. На топоплані намічалися створи скидання поплавків, а також розраховувався масштаб аерофотозйомки. Внаслідок цього був отриманий план поверхневих швидкостей течії в траєкторіях переміщення поплавків, в ізотахах та у векторній формі. Плани течії використовувалися для розрахунків швидкості течії.
Однією з найважливіших характеристик водного потоку, з визначенням якої під час гідрологічних розвідувань виникають певні труднощі, є витрата води. Розрахункова схема для визначення витрати води за допомогою аерофотознімань подана на рис.4.
Площа живого перерізу визначається за формулою:
де величини h1, h2,…. hn визначаються таким чином: h1 = h'1+ Дh , h2 = h'2+ Дh і т.п., а величини h'1 , h'2 , h'n визначаються під час знімання за формулою:
 ,
де і залежить від відстані точки, яка розглядається від центру знімку; Δp- різниця поздовжніх паралаксів точок, що знаходяться на відстані h одна від одної по вертикалі; Р – поздовжній паралакс точки, глибина якої визначається.
Величина Δh визначається за формулою:
 ,
де b – базис фотографування.
Рис.4. Живий переріз водотоку під час межені до проходження повені та під час повені
У випадку аерофотознімання мостового переходу відстань a1 з стереомоделі визначається за формулою:
 ,
де  - відстань між точками. Тоді площа живого перерізу визначається за допомогою наступної формули:
Витрата води під час повені визначається закономірністю:
Підставивши в дану формулу значення швидкості, яка визначається з виразу (9), отримаємо кінцеву формулу для визначення витрати води:
У випадку значних глибин на місці переходу через водотік під час межені, коли виникають труднощі при фотограмметричному визначенні глибини потоку, а також при значній його забрудненості, витрата води визначається аерометодами з застосуванням глибинних поплавків-інтеграторів. В основу аероінтеграційного методу визначення витрат води покладено поплавочну інтеграцію швидкостей течії за глибиною потоку.
Установлено, що відхилення середньої швидкості спливання поплавка Δсh в шарі глибиною h від її граничного значення c складає:
де   сn – середня щільність поплавка; g – прискорення вільного падіння; z – відстань по вертикалі.
Виходячи із (17) було доведено, що швидкість спливання на глибоких водотоках є величиною постійною, рівною с.
На основі проведених теоретичних досліджень при використанні аероінтеграційного методу визначення витрат води, отримана залежність для обчислення глибин в точках промірних вертикалів:
де  - елементарна витрата води; k – коефіцієнт дорівнює 0,85.
Таким чином, для визначення витрати води запропонована формула:
У випадку, коли аероінтеграційний метод визначення витрати води не можна застосувати, пропонується аерогідрометричний метод визначення витрати води за поверхневими швидкостями. Його реалізація на широких річках інколи пов’язана з труднощами визначення місця розміщення поплавків, тому область застосування обмежується річками з шириною 300-400 м. При вимірюванні об’єму витрати води аерогідрометричним методом запропонована наступна розрахункова формула:
де k – коефіцієнт переходу від фіктивного ( підрахованого за поверхневими швидкостями ) до дійсного обсягу води на гідростворі, V′ - об’єм фіктивного стоку ріки за період між моментами аерофотозйомок поплавків; t1, t2 – час першої і другої аерофотозйомок, відрахований від моменту закінчення скидання поплавків.
Було установлено, що абсолютна величина похибки визначення витрати води склала:
де м – відносний градієнт загального стиснення планового струменя; 0,5  – поздовжня координата центра ваги моделі фіктивної витрати води.
З виразу (21) було установлено, що при розташуванні скидного створу на відстані від гідроствору Ly = 0,5 (t1 + t2) , величина д0Q перетворюється в нуль,тобто при суміщенні лінії скидного створу з її розрахунковими координатами Ly – 0,5 (t1 + t2) істотних похибок у вимірюванні витрат води не виникає.
Під час повені виникає необхідність у визначенні умовних відміток рівнів води, оскільки різниця між відмітками рівнів води під час повені та під час межені характеризує висоту затоплення заплави. Умовні відмітки рівнів води отримані з виразу:
Аумов=АRp+hсер ,
де АRp – відмітка умовного початку висот;
hсер – середнє з декількох вимірювань перевищення початку висот над горизонтом води, який спостерігається.
Похибка при визначенні перевищень початку висот над горизонтом води визначалась за формулою:
де n/– кількість стереопар в секції; k/ – кількість маршрутів; mДp – cередньоквадратична похибка вимірювань виправленої різниці поздовжніх паралаксів, яка дорівнює mДp = ± 0,03 – 0,04мм. Похибка при визначенні умовних рівнів води склала mA = ± 2 cм.
У п’ятому розділі подано застосування аерометодів при обстеженні та реконструкції мостових переходів. Автором розглядається проблема визначення величини руслових деформацій, викликаних побудовою мостового переходу, як в руслі річки, так і на заплавних ділянках отворів мостів. Подані залежності для визначення величини загального розмиву під час повені фотограмметричним методом.
Розроблена методика установлення розмиву на заплавних ділянках за стереомоделлю заплави на мостовому переході. Для визначення побутової глибини hп, яка має місце до побудови мостового переходу, використовувався метод глибинних поплавків-інтеграторів і обчислення здійснювалося за формулою:
де L′- відстань від точок падіння поплавків у воду до точок виходу рідкого індикатора на поверхні води; Vi пов.- поверхнева швидкість на вертикалі, м/с; k- відношення Vcер./ Vi пов., Vcер – середня швидкість потоку, м/с. Указані величини визначаються за матеріалами аерофотознімання ділянки. Установлення глибини hр після розмиву здійснюється за формулою (24). Користуючись даними досліджень та стереоскопічною моделлю переходу, установлена площа розмитого русла з урахуванням загального та місцевого розмивів (рис.5):
 ,
де ai - відстані між вертикалями, в яких вимірюється глибина.
Об’єм грунту, що виноситься з під штучної споруди, визначається за формулою:
 ,
де l – довжина ділянки під мостом, на якій відбувається розмив.
Рис.5. Розрахункова схема для визначення площі розмитого русла з врахуванням загального та місцевого розмивів. 1 - русло річки; 2 - лінія загального розмиву; 3 - лінія місцевого розмиву;ΔW - площа розмитого русла.
Розроблено метод визначення підпору води за матеріалами аерофотозйомки на існуючих мостових переходах. За допомогою стереоскопічної моделі мостового переходу отримана закономірність для визначення підпору води:
де Δр/ – різниця поздовжніх паралаксів, виміряна відносно початкової точки; Θ – число заплав (одна або дві); в – коефіцієнт стиснення потоку; k// – відносна довжина верхових струмененаправляючих дамб ( k=lв/lo ); lв – довжина верхової дамби; lo – довжина водної воронки перед мостом; Δ/х1, Д/у1 – різниця координат по осі х та у при визначенні ширини розливання річки; Δ/х2, Д/у2 – різниця координат по осі х та у при визначенні отвору моста; Δ/х3, Д/у3 – різниця координат по осі х та у між початковою точкою, яка вибирається в точці урізу води вище мостового переходу і точкою урізу води нижче мостового переходу.
Висота набігання хвилі на заплавний насип визначається за формулою:
де кш – коефіцієнт відносної шорсткості укосу; m – коефіцієнт закладання укосу.
Наведена закономірність (28) дає можливість установити ступінь заливання водою заплавних насипів та підходів до штучної споруди мостового переходу. Похибки визначення висоти підпору, висоти набігання хвилі та висоти насипу при зніманні з висоти 250м склали ± 5 см.
У шостому розділі подані результати експериментальних досліджень застосування космічного знімання та аерометодів при проведенні гідрологічних розвідувань, для отримання яких були використані геоінформаційні системи повенів для Українських Карпат за період 1998 – 2001 рр. За даними космічної зйомки установлені величини рівнів води в річках Українських Карпат під час повеней 1998 та 2001рр., які подані на рис.6.
За наведеними даними космічної зйомки виявлена реальна картина підтоплення на заплавах річок в кожному із районів Закарпатської області під час стихійного лиха в 1998 та 2001 роках .
Доведено, що матеріали космічного знімання можуть бути використані для вивчення особливостей гідрографічної мережі Карпат та інших регіонів установлення меж водозбірних басейнів та прогнозування площ, які будуть затоплені.
За даними експериментальних досліджень була установлена повторюваність витрат води в р.Тиса поблизу м.Тячева, були побудовані крива розподілу витрат та кумулятивна крива. Із побудованих кривих отримано витрату, імовірність появи якої складає 50% і становить 70 м3/с, разом з тим, на протязі року може з'явитися витрата, яка перевищує середню витрату в 20 раз і більше, витрата з 85%-ою імовірністю появи складає 230 м3/с. Крім переліченого, отримані криві наглядно характеризують повторюваність витрат в різних діапазонах, що дає можливість оцінити витрати тягнених наносів на цій ділянці річки.
Аерофотознімання, які проводилися на річці Південний Буг, підтвердили ефективність застосування аерометодів в аерогідрологічних розвідуваннях нових та існуючих мостових переходів. Аерометоди використовувалися для визначення імовірностних характеристик водного потоку, а саме витрат води, положення рівнів, швидкостей течії . На зазначеному мостовому переході була визначена площа живого перерізу річки Південний Буг, яка склала 48,5 м2. Витрата води на період проведення експерименту дорівнювала 97 мз/с. Розроблена методика проведення
спостережень за річками та мостовими переходами застосована на практиці.
Рис.6. Рівні води в річках Закарпаття за даними космічних знімань.
Натурні спостереження підтвердили справедливість теоретичних досліджень та нових методів гідрологічних розвідувань мостових переходів, які подані на рис.7, де пунктиром позначені удосконалені існуючі методи, а суцільною лінією – нові розроблені автором методи.
У сьомому розділі розглядається практичне застосування результатів досліджень в гідрологічних розвідуваннях при проектуванні нових та реконструкції існуючих мостових переходів. Подана технологічна схема обробки матеріалів аерокосмічної зйомки під час гідрологічних розвідувань мостових переходів, яка передбачає використання стереозйомки та аерометодів. Запропоновану обробку матеріалів розвідувань здійснювали двома способами: аналоговим з використанням стереоанаграфа і аналітичним з використанням стерео-компаратора в залежності від різних природних умов. Обробка матеріалів космічного знімання в Карпатах здійснювалася за допомогою програмних пакетів Erdas Imagine, АrсVіеw та АrсІnfо. Розроблено алгоритм процесу моделювання повеневої ситуації на мостових переходах. Розповсюдження цих даних по всій довжині ріки, давало уявлення про затоплення всіх мостових переходів під час повені на даний час. Базовою ГІС-платформою, на якій проводилася реалізація
Рис.7. Застосування розробленої методології гідрологічних розвідувань мостових переходів при їх будівництві та реконструкції
даної методики, була прийнята АrсVіеw 3.1 із розширенням Sраtiаl Аnаlуst. Попереднє моделювання рельєфу місцевості виконане з використанням функції Topogrid АrсІnfо на основі актуалізованої карти масштабу 1:10 000.
Розроблена методика просторового аналізу наслідків катастрофічних гідрологічних ситуацій на мостових переходах засобами ГІС дозволила отримати такі результати: прийнятий оптимальний алгоритм аналізу забезпечує оперативність, наочність і необхідну точність оцінки наслідків надзвичайної ситуації в районі мостових переходів, як в умовах дефіциту вихідних даних, так і при наявності даних детальних гідрологічних прогнозів; створена технологія прогнозування площ повеневого затоплення втілена в практику; запрогнозовані площі (мостові переходи), які могли бути затоплені при майбутніх катастрофічних повенях, що дало змогу оцінити ефективність існуючих гідротехнічних споруд та розробити заходи по їх покращенню; визначені величини підтоплення мостових переходів h (табл.1) на річках Прикарпаття та Закарпаття. В табл.1 подані Qmax і Qmin – максимальна і мінімальна витрати, Сп.з. – ширина затоплення, в – ширина русла і Vmax – максимальна швидкість течії.
Таблиця 1
Величини підтоплення мостових переходів для річок Прикарпаття та Закарпаття
Користуючись даними космічної зйомки побудована залежність між шириною підтоплення заплави та глибиною підтоплення в районі мостового переходу на ділянці річка-пункт: Тиса-Вилок при ширині заплави в = 50 м та максимальній швидкості води під час повені Vmax: 1 – Vmax = 4 м/c ; 2 – Vmax = 3 м/c ; 3 – Vmax = 2 м/c (рис.8), що дає можливість прогнозувати величину підтоплення мостового переходу під час катастрофічної повені.
Рис.8. Залежність між шириною підтоплення заплави і глибиною підтоплення
| 
