Введение 3
Глава 1. Краткое гидрографическое описание исследуемых объектов 4
Глава 2. Методы расчета неустановившегося движения воды 7
2.1. Неустановившееся движение воды 7
2.2. Методы расчета неустановившегося движения воды 7
2.3. Уравнение Сен-Венана. Основные допущения 9
2.4. Численная схема Института гидродинамики СО АН СССР 11
2.5. Исходная информация для расчета неустановившегося движения воды 12
Глава 3. Создание информационной базы для моделирования и расчета 16
3.1. Выбор расчетных участков 17
3.2. Выбор расчетных интервалов по времени и длине 22
3.3. Гидравлико-морфометрические характеристики 22
3.4. Задание начальных и граничных условий 25
3.5. Задание бокового притока и оттока 28
3.6. Задание коэффициентов шероховатости 30
3.7. Внесение данных в оболочку модели 31
3.8. Вывод результатов 34
Глава 4. Результаты моделирования 35
4.1 Коэффициент соответствия NS 35
4.2. Моделирование на основе рассчитанных коэффициентов шероховатости 36
4.3. Корректировка параметров модели 39
Заключение 40
Список литературы 42
Приложение 44
В современном мире особое внимание уделяется водным ресурсам. С каждым годом увеличивается использование ресурсов пресных вод рек, озер и водохранилищ, на основе чего все большую актуальность приобретает прогнозирование речного стока, моделирование его различных характеристик, для дальнейшего их использования в различных практических и научных целях.
Целью данной работы является расчет неустановившегося движения воды при помощи одномерной модели, основанной на численной схеме Института гидродинамики, для трех водных объектов: рек Ардон, Ока и Тосна.
Численное моделирование позволяет производить расчеты неустановившегося движения воды на расчетных участках, информация по которым необходима интересующейся проектной организации. Моделировать возможно с любым расчетным шагом по времени и пространству. Данный метод подходит для решения практических вопросов и задач благодаря тому, что есть возможность рассчитать характеристики потока, которые трудно получить в естественных условиях, а именно: расходы, уровни, скорости течения, площади поперечного сечения, числа Рейнольдса и Фруда. В данной работе информационная база для моделирования формировалась таким образом, чтобы для разных рек (горных и равнинных) использовался разный объем исходных данных, натурные и полевые наблюдения, с целью посмотреть все возможности модели.
Основные задачи данной работы заключаются в:
• Создание информационной базы для моделирования: гидравлико-морфометрические характеристики, граничные и начальные условия, параметры модели.
• Проведение расчетов, используя заданные параметры, и адаптация модели.
• Определение критерия качества NS (Nash Sutcliffe model efficiency coefficient).
• Корректировка гидравлических параметров модели.
• Анализ полученных результатов.
В ходе данной работы были выполнены все поставленные задачи и достигнута основная цель: рассчитать с помощью одномерного моделирования, на основе численной схемы Института гидродинамики, гидравлические параметры исследуемых объектов - рек Ока, Тосна (равнинные) и Ардон (горная река).
Был представлен аналитический обзор методов расчета неустановившегося движения воды, выбора численной схемы, а также были рассмотрены основныее требования и допущения к исходной информации для модели.
Для формирования информационной базы для моделирования для разных рек (горных и равнинных) использовался разный объем исходных данных, чтобы посмотреть все возможности модели. Так для реки Оки были взяты данные из гидрологических ежегодников. Для реки Тосна большая часть исходной информации была получена благодаря полевым изысканиям. Данные по Ардоны были полностью взяты из полевых изысканий, а также именно на этой реке расчетный шаг по времени составил не одни сутки, как в предыдущих случаях, а 1 час. Также были определены все гидрологические и гидравлико-морфометрические характеристики исследуемых объектов.
Были представлены основные результаты моделирования неустановившегося движения воды для трех рек. Приведены расчеты коэффициента сопротивления русла на основе данных натурных наблюдений и данных, полученных в результате полевых изысканий. Выяснено, что коэффициент сопротивления для горной реки выше (0,080 для Ардона), чем для равнинных рек (0,023 и 0,045 для Тосны и Оки, соответственно).
Далее представлены результаты моделирования, основанные на заданных параметрах (морфометрических характеристик створов и расчетных участков, рассчитанных коэффициентах сопротивления). Произведен сравнительный анализ смоделированных и натурных данных на основе расчета критерия соответствия Nash- Sutcliffe. Получено, что критерий соответствия NS изменяется в пределах от 0,95 до 0,99. Представлено описание корректировки параметров, результаты повторных расчетов и итоговые результаты моделирования. В итоге, для каждого исследуемого объекта представлены рекомендуемые для одномерного моделирования значения гидравлических параметров.
В результате работы было выявлено следующее: одномерная модель неустановившегося движения воды можно использовать при расчетах как для объектов с наличием натурных данных, так и для объектов с минимальным количеством исходной информации и наличии точечных измерений. Но, разумеется, чем большее количество исходной информации находиться в оболочке модели, тем надежнее и качественнее получаются результаты расчетов.
