Введение к работе
Актуальность проблемы. Имитационное компьютерное
моделирование стало сегодня неотъемлемым элементом различных этапов создания современных гидроузлов. Результаты такого моделирования учитываются при прогнозировании отметок свободной поверхности потока в верхнем и нижнем бьефах гидроузла при пропуске максимальных (паводковых) и минимальных (меженных) расходов, при установлении границ затопления территорий, примыкающих к речному руслу, при оценке условий судоходства, при анализе возможностей выработки электроэнергии гидроагрегатами ГЭС, при осуществлении автоматизации управления каскадами речных гидроузлов, при решении проблем рыбохозяйственного использования водохранилищ каскадов, при решении проблем устойчивого развития водного хозяйства и т.п.
Именно благодаря применению имитационного компьютерного моделирования удается быстро и достаточно точно решить многие из перечисленных задач, как при проектировании, так и при строительстве гидротехнических сооружений сложных водохозяйственных комплексов. В рамках настоящей диссертационной работы ее автором предпринята попытка решить ряд достаточно сложных задач такого моделирования путем разработки современных методологий их решения на базе использования современных программных средств, а также ГИС-технологий. В связи с изложенным решаемая автором научная задача является актуальной.
Цель и основные задачи исследований.
Основная цель исследований автора заключалась в совершенствовании существующих методов имитационного моделирования течений водных потоков в зарегулированных руслах - бьефах речных гидроузлов с использованием информационных технологий для того, чтобы повысить точность и обоснованность исходных данных, используемых при расчетном обосновании проектируемых гидротехнических сооружений речных гидроузлов и водохозяйственных систем, при оперативном прогнозировании различных ситуаций, которые могут иметь место в период строительства и последующей эксплуатации этих водных объектов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
провести анализ существующих методов численного моделирования движения потоков воды в открытых водотоках, а также интеграции этих методов с современными ГИС-технологиями;
на базе проведенного анализа создать одномерную математическую модель водохранилища Чебоксарского гидроузла и с ее помощью провести сравнительные прогностические расчеты, используя в этих целях
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург .
программные комплексы MIKE11 и RIVER;
сравнить результаты расчетов, выполненных на одномерной и двумерной математических моделях на участке конкретной реки, используя численные меюдм программ RIVER и FLOOD при прохождении максимального и минимального расходов в русле;
шучить основные проблемы подготовки исходных данных для математических моделей водохозяйственных объектов с использованием ГИС-технологий и разработать методику повышения качества используемых при этом исходных данных;
-сравнить методы построения интерполяционной поверхности рельефа дна и берегов акваторий водных обьектов тремя способами: билинейным на основе трианіулянионной сетки, геостатистическим методом Кригинг и геометрическим методом на основе ячеек Дирихле,
- выполнить оценку точности интерполяции и выявить ее влияние на
результаты имитационного моделирования водохозяйственных объектов.
Научная новизна, полученных в работе результатов состоит в следующем:
-усіаікшлспо, что для повышения точности прогнозирования максимальных и минимальных уровней свободной поверхности воды в речных руслах с поймой бьефах водохранилищ речных гидроузлов следует использовать различное количество, местоположение и ориентацию поперечников;
проведены сравниіельньїе методические расчеты на одномерной и двумерной моделях конкретного участка речного русла верхнего бьефа Чебоксарского іидроузла для случаев прохождения по нему максимальных (паводковых) и минимальных (меженных) расходов;
выявлена специфика и сформулированы рекомендации по оптимальной подготовке исходных данных при помощи ГИС-технологий для дальнейшего использования их при одномерном и двумерном моделировании гидродинамических параметров бьефов речных гидроузлов;
осуществлено сравнение результатов расчетов параметров речного потока с помощью одномерной математической модели для случаев пропуска минимальної о (меженного) расхода через поперечные сечения речного русла, очертания границ которых получены с разных интерполяционных поверхностей;
па реальном обьекте проведен сравнительный анализ трех методов интерполяции поверхности дна и берегов акваторий бьефов речных гидроуїлов, выявлены связи между размерами ячейки билинейной интерполяции на основе триангуляционной сетки и среднеквадратической ошибкой интерполяции.
Достоверность научных результатов, полученных в работе. подтверждена сопоставлением их с результатами, полученными как с помощью известных расчетных методов, так и с даиньши натурных измерений. При этом использовались данные, полученные при замерах параметров течения воды на постоянных и временных водомерных постах, а также результаты промеров дна с помощью эхолотов, космические снимки, существующие карты масштаба 1:25000 и 1:10000.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ее рамках получены результаты исследований 'совместного использования ГИС-технологий и компьютерных программ для прогноза параметров течения потоков в зоне гидротехнических объектов, что позволило усовершенствовать существовавшие ранее методы имитационного моделирования зарегулированных речных русел - бьефов водохранилищ.
Апробация работы. Результаты исследований и основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях Московского государственного университета природообустройства в период с 2003 по 2005 годы, а также на заседаниях кафедры Гидротехнических сооружений МГУП.
Реализация работы. На основе полученных материалов был разработан практический курс для студентов-магистров «Компьютерное моделирование русловых потоков», а также разработаны рекомендации по методике построения цифровых моделей рельефа русел и пойм равнинных рек в целях их дальнейшего использования в качестве исходных данных для создания одномерных и двумерных математических моделей течения воды в этих водотоках в зоне проектируемых и построенных гидротехнических объектов.
Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах ее автора.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка использованной литературы, насчитывающего 273 наименования, из которых 70 иностранных. Работа изложена на 167 станицах машинописного текста, иллюстрирована 71 рисунком, содержит 11 таблиц.
