Компьютерное моделирование речной гидравлики (на примере реки Кондома)
|
Аннотация 2
Введение 6
1 Физико-географическая характеристика территории 10
1.1 Рельеф и геологическое строение 11
1.2 Почвы и растительный покров 13
1.3 Основные сведения по гидрографии бассейна р. Кондома 16
1.4 Климатическая характеристика 18
1.5 Гидрологическая характеристика 22
2 Общие сведения о моделировании 27
2.1 История компьютерного моделирования 29
2.2 Инструментальные средства имитационного моделирования 29
3 Методы сбора и обработки исходных данных 37
3.1 Программный комплекс HEC-RAS 39
3.2 Программный комплекс WinRiver 41
3.3 Программный комплекс AutoCAD 49
3.4 Исходные данные для моделирования 50
3.3 Полевые работы 51
4 Моделирование речной гидравлики 59
4.1 Построение модели в системе HEC-RAS 59
4.2 Калибровка модели 60
4.3 Моделирование зоны затопления 64
4.4 Моделирование зон затопления для различных сценариев 66
4.5 Модели с использованием других программных комплексов 71
Заключение 73
Список используемых источников и литературы 75
Приложение А Гидрографы р. Кондома -пгт. Кузедеево 78
Приложение Б Исходный ряд максимальных расходов весеннего половодья р. Кондома - пгт. Кузедеево 79
Приложение В Схема Гидрометеорологической изученности района 82
Приложение Г Высшие уровни воды р. Кондома-насосная № 1 ЮКГРЭС 83
Приложение Д Результаты моделирования Сценария 1 и Сценария 1д 84
Приложение Е Результаты моделирования Сценария 2 и Сценария 2д 85
Введение 6
1 Физико-географическая характеристика территории 10
1.1 Рельеф и геологическое строение 11
1.2 Почвы и растительный покров 13
1.3 Основные сведения по гидрографии бассейна р. Кондома 16
1.4 Климатическая характеристика 18
1.5 Гидрологическая характеристика 22
2 Общие сведения о моделировании 27
2.1 История компьютерного моделирования 29
2.2 Инструментальные средства имитационного моделирования 29
3 Методы сбора и обработки исходных данных 37
3.1 Программный комплекс HEC-RAS 39
3.2 Программный комплекс WinRiver 41
3.3 Программный комплекс AutoCAD 49
3.4 Исходные данные для моделирования 50
3.3 Полевые работы 51
4 Моделирование речной гидравлики 59
4.1 Построение модели в системе HEC-RAS 59
4.2 Калибровка модели 60
4.3 Моделирование зоны затопления 64
4.4 Моделирование зон затопления для различных сценариев 66
4.5 Модели с использованием других программных комплексов 71
Заключение 73
Список используемых источников и литературы 75
Приложение А Гидрографы р. Кондома -пгт. Кузедеево 78
Приложение Б Исходный ряд максимальных расходов весеннего половодья р. Кондома - пгт. Кузедеево 79
Приложение В Схема Гидрометеорологической изученности района 82
Приложение Г Высшие уровни воды р. Кондома-насосная № 1 ЮКГРЭС 83
Приложение Д Результаты моделирования Сценария 1 и Сценария 1д 84
Приложение Е Результаты моделирования Сценария 2 и Сценария 2д 85
Водные объекты, а особенно реки, являются одной из важнейших экологически значимых составных частей экосистем и изучаются как при проведении комплексных экологических исследований, так и в качестве самостоятельного объекта при природоохранных исследованиях.
Главную роль в изучении закономерностей функционирования водных объектов играют гидрологические исследования.
Методические приемы гидрологии и гидрографии позволяют стандартизировать процесс описания, измерения и составления физико-географической характеристики водоема. В свою очередь это позволяет составить паспорт водоема и на его основании правильно оценивать роль водоема в той или иной экосистеме, допустимый уровень антропогенной нагрузки на водоем, вырабатывать рекомендации по его охране и рациональному хозяйственному использованию.
Компьютерное моделирование в нашей стране имеет массу проблем, связанных и с недостаточным финансированием и труднодоступностью компьютерных программ отечественного производства. Однако компьютерное моделирование во всем мире в целом развивается очень быстро. Разрабатываются все новые программные комплексы с более широкими возможностями моделирования.
Компьютерное моделирование речного стока получило развитие как в нашей стране, так и за рубежом с середины 60-х гг. прошлого столетия
С тех пор работы велись в основном в двух направлениях: имитация движения воды в речном русле (речные модели) и на склонах речного водосбора (бассейновые модели). Основу речных моделей составляли уравнения установившегося и (или) неустановившегося движения Навье- Стокса, Сен-Венана; в бассейновых моделях, кроме указанных уравнений, применялись также различные модификации уравнений математической физики (прежде всего уравнение диффузии) и различные эмпирические зависимости.
В настоящие время компьютерное моделирование получает все большее развитие во всех сферах нашей жизнедеятельности. Это связанно с бурным развитием компьютерных технологий в 21 веке.
В гидрологии последнее время компьютерное моделирование используют как эффективный инструмент для расчета и прогнозирования поведения речного потока. Компьютерная модель расчета параметров течения и русловых деформаций на участке речной сети включает в себя следующие компоненты:
Численную модель течения в открытом русле; Численную модель транспорта наносов и русловых деформаций; Цифровую модель рельефа (ЦМР) русла реки и речной долины.
В работе проводится оценка количественных характеристик наводнений при различных условиях с применением методов математического моделирования совместно с ГИС-технологиями. Объектом исследования является русло реки Кондома на участке в близи поселка Сарбала и поселка Малиновка.
Данный участок подвержен частым наводнениям. Наиболее масштабным стало наводнение в 2004 г., начавшееся вследствие интенсивных дождей в ночь с 15 на 16 мая на фоне пика половодья, что обусловило прохождение по р. Кондома расхода воды 3800 м3/с. После этого события было принято решение проектировать защитную дамбу с целью защиты участков горных работ от затоплений. Именно наводнение 2004 г. было выбрано в качестве основного сценария при проведении моделирования. Участок моделирования имеет длину 10,5 км.
Дамба протяженностью 3100 м будет проходить по поверхности с абсолютными отметками 221,39 м-233,96 м. Большая часть (55,8 %) площадки заболочена.
Моделирование проводилось с использованием программного комплекса «HEC-RAS» (разработана в Гидрологическом инженерном центре Корпуса гражданских инженеров армии США) [25].
Целью работы было определить зону затопления при прохождении максимальных расходов воды р. Кондома редкой повторяемости с использованием методов имитационного компьютерного моделирование с учетом планируемого строительства защитной дамбы в районе участков открытых горных работ.
Задачи:
- Определить зоны затопления при различных наблюденных и расчетных максимальных расходах воды.
- Оценить подпорный и защитный эффект от строительства защитной дамбы по таким характеристикам, как уровни воды на участке, скорости течения, границы зоны затопления.
- Получить практические навыки проведения гидрометрических работ в полевых условиях.
- Получить практические навыки использования имеющихся программных комплексов для гидравлического моделирования (в основном, HEC-RAS).
- Ознакомиться с нормативной и проектной документацией.
Данная тема имеет высокую актуальность, так как в настоящее время при работе в области проектирования все чаще и больше используется компьютерное моделирование.
В большинстве случаев в отечественной практике подобные задачи решались с помощью физического моделирования участка реки и гидротехнических сооружений либо на основе достаточно простых расчетных алгоритмов, Однако практика показала, что физическое моделирование русловых процессов является весьма дорогостоящим и не всегда обеспечивает приемлемую точность результатов. Расчетные же формулы сами по себе, получены ли они теоретическим путем или являются эмпирическими, имеют невысокую точность и позволяют получить только весьма фрагментарную оценку происходящих в русле реки процессов.
Имитационное компьютерное моделирование происходящих процессов позволяет относительно быстро просчитать разные варианты входных воздействий и реакции на них природной системы, а также оценить количественно и выбрать наиболее приемлемые варианты воздействий. Сама компьютерная модель в дальнейшем может быть использована как основа для мониторинга техногенных воздействий и связанных с ними изменений окружающей среды.
К сожалению, несмотря на актуальность данного направления в современной науке, компьютерное моделирование в нашей стране имеет массу проблем связанных и с недостаточным финансированием и отсутствием компьютерных программ отечественного производства. Однако компьютерное моделирование во всем мире в целом развивается очень быстро. Разрабатываются все новые программные комплексы с более широкими возможностями к моделированию.
В качестве исходных материалов были получены материалы от ООО «СГП-ЭКО», Кемеровского Гидрометцентра, а также результаты съемок и измерений во время прохождения производственной практики (в ходе полевых работ выполненных непосредственно автором).
Методы используемые в данной работе можно условно разделить на камеральные и полевые.
Полевые использовались при получении исходных данных при полевых работах выполненных в июне 2015 г.
Камеральные методы заключались в последующей обработке данных с использованием различных программных комплексов таких как AutoCAD и WinRiver.
Данная диссертация состоит из четырех основных глав. В первой главе диссертации приводится, характеристика района и объекта исследования. Во второй главе рассматриваются общие сведения о моделировании, а так же история развития моделирования. В третьей главе приводятся методы сбора и обработки исходного материала, а так же описание используемых при работе программных комплексов.. В четвертой описывается этапы построения самой модели, а также в данной главе проанализированы результаты моделирования и сравнение с аналогичными моделями, выполненными с помощью других программных комплексов.
Полученные навыки в ходе выполнения данной работы помогут в будущем автору использовать их в работе в проектной организации и дают значимый опыт в сфере моделирования.
Главную роль в изучении закономерностей функционирования водных объектов играют гидрологические исследования.
Методические приемы гидрологии и гидрографии позволяют стандартизировать процесс описания, измерения и составления физико-географической характеристики водоема. В свою очередь это позволяет составить паспорт водоема и на его основании правильно оценивать роль водоема в той или иной экосистеме, допустимый уровень антропогенной нагрузки на водоем, вырабатывать рекомендации по его охране и рациональному хозяйственному использованию.
Компьютерное моделирование в нашей стране имеет массу проблем, связанных и с недостаточным финансированием и труднодоступностью компьютерных программ отечественного производства. Однако компьютерное моделирование во всем мире в целом развивается очень быстро. Разрабатываются все новые программные комплексы с более широкими возможностями моделирования.
Компьютерное моделирование речного стока получило развитие как в нашей стране, так и за рубежом с середины 60-х гг. прошлого столетия
С тех пор работы велись в основном в двух направлениях: имитация движения воды в речном русле (речные модели) и на склонах речного водосбора (бассейновые модели). Основу речных моделей составляли уравнения установившегося и (или) неустановившегося движения Навье- Стокса, Сен-Венана; в бассейновых моделях, кроме указанных уравнений, применялись также различные модификации уравнений математической физики (прежде всего уравнение диффузии) и различные эмпирические зависимости.
В настоящие время компьютерное моделирование получает все большее развитие во всех сферах нашей жизнедеятельности. Это связанно с бурным развитием компьютерных технологий в 21 веке.
В гидрологии последнее время компьютерное моделирование используют как эффективный инструмент для расчета и прогнозирования поведения речного потока. Компьютерная модель расчета параметров течения и русловых деформаций на участке речной сети включает в себя следующие компоненты:
Численную модель течения в открытом русле; Численную модель транспорта наносов и русловых деформаций; Цифровую модель рельефа (ЦМР) русла реки и речной долины.
В работе проводится оценка количественных характеристик наводнений при различных условиях с применением методов математического моделирования совместно с ГИС-технологиями. Объектом исследования является русло реки Кондома на участке в близи поселка Сарбала и поселка Малиновка.
Данный участок подвержен частым наводнениям. Наиболее масштабным стало наводнение в 2004 г., начавшееся вследствие интенсивных дождей в ночь с 15 на 16 мая на фоне пика половодья, что обусловило прохождение по р. Кондома расхода воды 3800 м3/с. После этого события было принято решение проектировать защитную дамбу с целью защиты участков горных работ от затоплений. Именно наводнение 2004 г. было выбрано в качестве основного сценария при проведении моделирования. Участок моделирования имеет длину 10,5 км.
Дамба протяженностью 3100 м будет проходить по поверхности с абсолютными отметками 221,39 м-233,96 м. Большая часть (55,8 %) площадки заболочена.
Моделирование проводилось с использованием программного комплекса «HEC-RAS» (разработана в Гидрологическом инженерном центре Корпуса гражданских инженеров армии США) [25].
Целью работы было определить зону затопления при прохождении максимальных расходов воды р. Кондома редкой повторяемости с использованием методов имитационного компьютерного моделирование с учетом планируемого строительства защитной дамбы в районе участков открытых горных работ.
Задачи:
- Определить зоны затопления при различных наблюденных и расчетных максимальных расходах воды.
- Оценить подпорный и защитный эффект от строительства защитной дамбы по таким характеристикам, как уровни воды на участке, скорости течения, границы зоны затопления.
- Получить практические навыки проведения гидрометрических работ в полевых условиях.
- Получить практические навыки использования имеющихся программных комплексов для гидравлического моделирования (в основном, HEC-RAS).
- Ознакомиться с нормативной и проектной документацией.
Данная тема имеет высокую актуальность, так как в настоящее время при работе в области проектирования все чаще и больше используется компьютерное моделирование.
В большинстве случаев в отечественной практике подобные задачи решались с помощью физического моделирования участка реки и гидротехнических сооружений либо на основе достаточно простых расчетных алгоритмов, Однако практика показала, что физическое моделирование русловых процессов является весьма дорогостоящим и не всегда обеспечивает приемлемую точность результатов. Расчетные же формулы сами по себе, получены ли они теоретическим путем или являются эмпирическими, имеют невысокую точность и позволяют получить только весьма фрагментарную оценку происходящих в русле реки процессов.
Имитационное компьютерное моделирование происходящих процессов позволяет относительно быстро просчитать разные варианты входных воздействий и реакции на них природной системы, а также оценить количественно и выбрать наиболее приемлемые варианты воздействий. Сама компьютерная модель в дальнейшем может быть использована как основа для мониторинга техногенных воздействий и связанных с ними изменений окружающей среды.
К сожалению, несмотря на актуальность данного направления в современной науке, компьютерное моделирование в нашей стране имеет массу проблем связанных и с недостаточным финансированием и отсутствием компьютерных программ отечественного производства. Однако компьютерное моделирование во всем мире в целом развивается очень быстро. Разрабатываются все новые программные комплексы с более широкими возможностями к моделированию.
В качестве исходных материалов были получены материалы от ООО «СГП-ЭКО», Кемеровского Гидрометцентра, а также результаты съемок и измерений во время прохождения производственной практики (в ходе полевых работ выполненных непосредственно автором).
Методы используемые в данной работе можно условно разделить на камеральные и полевые.
Полевые использовались при получении исходных данных при полевых работах выполненных в июне 2015 г.
Камеральные методы заключались в последующей обработке данных с использованием различных программных комплексов таких как AutoCAD и WinRiver.
Данная диссертация состоит из четырех основных глав. В первой главе диссертации приводится, характеристика района и объекта исследования. Во второй главе рассматриваются общие сведения о моделировании, а так же история развития моделирования. В третьей главе приводятся методы сбора и обработки исходного материала, а так же описание используемых при работе программных комплексов.. В четвертой описывается этапы построения самой модели, а также в данной главе проанализированы результаты моделирования и сравнение с аналогичными моделями, выполненными с помощью других программных комплексов.
Полученные навыки в ходе выполнения данной работы помогут в будущем автору использовать их в работе в проектной организации и дают значимый опыт в сфере моделирования.
На участке р. Кондома протяженностью 10.5 км в районе участков открытых горных работ построена одномерная гидравлическая модель HEC- RAS. Калибровка модели проведена на основе данных об отметках водной поверхности в меженный период, предоставленных ООО «СГП-ЭКО», и результатов полевых работ автора в июне 2015г. Она показала хорошие результаты. При верификации модели для периода половодья привлекались данные о максимальных расходах и уровнях воды по ближайшим гидрологическим постам на р. Кондома - Кузедеево и Калтан-водозабор ГРЭС.
Для оценки зон затопления проведено моделирование прохождения расходов обеспеченностью 1% и максимального расхода за период наблюдений в современных условиях без учета и с учетом строительства защитной дамбы на левом берегу р. Кондома согласно проекту СГП-ЭКО.
Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы:
1) при расходах 1% обеспеченности наблюдается практически полное затопление поймы р. Кондома. При условии строительства дамбы отметки водной поверхности у дамбы при расходе воды 1% обеспеченности составят от 224.8 до 225.6 м БС, По результатам моделирования подпорный эффект от дамбы будет несущественным - менее 10 см на прилегающем к дамбе участке.
2) При дальнейшем планировании дополнительных инженерных сооружений, повышающих высотные отметки поймы - насыпей автодорог и т.п., будет необходимо оценить совокупный подпорный эффект дамбы и других линейных сооружений, для этого потребуется провести дополнительное моделирование с учетом всех линейных сооружений на пойме.
3) отметки водной поверхности у насыпи железной дороги, проходящей в пределах исследуемого участка на правом берегу р. Кондома в вершине излучины составляют от 227 до 227.5м БС при 1% расходе воды. Это говорит о необходимости уточнить высотные отметки насыпи на этом участке, т.к. даже без дополнительного подпорного эффекта от планируемых инженерных сооружений перелив через насыпь железной дороги при прохождении максимальных расходов воды возможен.
Определена зона затопления при прохождении максимальных расходов воды р. Кондома редкой повторяемости с использованием методов имитационного компьютерного моделирование с учетом планируемого строительства защитной дамбы в районе участков открытых горных работ.
В качестве вывода хотелось бы отметить. Что двумерные модели имеют преимущества в сравнении с одномерными. Результаты, полученные при помощи двумерной модели, являются более точными, но и более трудоемкими. Так же двумерная модель позволяет более наглядно показать на космоснимках уровни, глубины и скорости течения, что при одномерной модели не представляется возможным.
Однако расчеты по двумерной модели хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью одномерной модели. И в случаях несложной конфигурации русловой сети результатов, полученных при помощи одномерной модели, зачастую бывает достаточно.
Полученные в ходе выполнения данной работы навыки помогут в будущем автору использовать их в работе в проектной организации и дают значимый опыт в сфере моделирования.
Для оценки зон затопления проведено моделирование прохождения расходов обеспеченностью 1% и максимального расхода за период наблюдений в современных условиях без учета и с учетом строительства защитной дамбы на левом берегу р. Кондома согласно проекту СГП-ЭКО.
Результаты моделирования позволили сделать следующие выводы:
1) при расходах 1% обеспеченности наблюдается практически полное затопление поймы р. Кондома. При условии строительства дамбы отметки водной поверхности у дамбы при расходе воды 1% обеспеченности составят от 224.8 до 225.6 м БС, По результатам моделирования подпорный эффект от дамбы будет несущественным - менее 10 см на прилегающем к дамбе участке.
2) При дальнейшем планировании дополнительных инженерных сооружений, повышающих высотные отметки поймы - насыпей автодорог и т.п., будет необходимо оценить совокупный подпорный эффект дамбы и других линейных сооружений, для этого потребуется провести дополнительное моделирование с учетом всех линейных сооружений на пойме.
3) отметки водной поверхности у насыпи железной дороги, проходящей в пределах исследуемого участка на правом берегу р. Кондома в вершине излучины составляют от 227 до 227.5м БС при 1% расходе воды. Это говорит о необходимости уточнить высотные отметки насыпи на этом участке, т.к. даже без дополнительного подпорного эффекта от планируемых инженерных сооружений перелив через насыпь железной дороги при прохождении максимальных расходов воды возможен.
Определена зона затопления при прохождении максимальных расходов воды р. Кондома редкой повторяемости с использованием методов имитационного компьютерного моделирование с учетом планируемого строительства защитной дамбы в районе участков открытых горных работ.
В качестве вывода хотелось бы отметить. Что двумерные модели имеют преимущества в сравнении с одномерными. Результаты, полученные при помощи двумерной модели, являются более точными, но и более трудоемкими. Так же двумерная модель позволяет более наглядно показать на космоснимках уровни, глубины и скорости течения, что при одномерной модели не представляется возможным.
Однако расчеты по двумерной модели хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью одномерной модели. И в случаях несложной конфигурации русловой сети результатов, полученных при помощи одномерной модели, зачастую бывает достаточно.
Полученные в ходе выполнения данной работы навыки помогут в будущем автору использовать их в работе в проектной организации и дают значимый опыт в сфере моделирования.
