Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменных территориях обусловлена, с одной стороны, их важностью в экологическом отношении, с другой – междисциплинар-ностью задачи с различными видами неопределенностей. Природная неопределенность и пространственная распределенность паводковых процессов в поймах крупных рек требуют анализа большого числа альтернатив территориального распределения проектных работ в широком диапазоне внешних параметров. Практически единственным адекватным способом исследования возможности реализации и эффективности таких проектов является имитационное моделирование с использованием многослойных цифровых карт, вычислительных гидродинамических моделей, методов оптимизации. Вычислительная, алгоритмическая и методологическая сложность исследования таких проектов, возможность поэтапной многолетней параллельной реализации нескольких из них в условиях развития территорий требуют от системы имитационного моделирования свойств расширяемости данных, алгоритмов и задач, реализуемых посредством расширяемых баз данных, модульности и каркасности структуры компьютерных программ.
Научная актуальность проблемы обусловлена отсутствием общих методов
имитационного междисциплинарного моделирования сложных проектов,
включающего в себя геоинформационное, гидродинамическое моделирование,
решение задач оптимизации с пространственно распределенными параметрами и
критериями состояния. Практическая актуальность проблемы обусловлена
необходимостью совершенствования научного обоснования стратегии
противодействия экологической деградации территории Волго-Ахтубинской поймы (ВАП).
Цели исследования:
разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения имитационного моделирования и оптимизации гидротехнических проектов на пойменных территориях с использованием геоинформационных и гидродинамических моделей, эвристических и точных методов оптимизации;
оценка оптимальных параметров и эффективности проектов в северной части ВАП на основе вычислительных экспериментов.
Достижение этих целей потребовало решения следующих основных задач:
разработка комплексной модели состояния пойменной территории, включающей в себя:
o структурно-функциональную и причинно-следственную модели факторов воспроизводства природной системы пойменной территории; o цифровые территориально распределенные, графовые и агрегированные модели рельефа, гидрологической, функциональной структуры и критериев состояния пойменной территории; разработка комплексной имитационной модели оценки влияния структуры и геометрических характеристик малых русел на динамику паводковых процессов модельных пойменных территорий; разработка комплексной имитационной модели гидротехнических проектов изменения структуры русловой системы пойменных территорий, включающей в себя:
o комплексную классификацию гидротехнических проектов на поймен
ных территориях;
o эвристические модели параметрической оптимизации проектов углуб
ления малых русел и установки паводковых дамб;
o модель двухэтапной параметрической оптимизации проекта углубле
ния малых русел и установки паводковых дамб на основе разностного
метода динамического программирования и адаптивного
гидрологического зонирования пойменной территории; разработка программного комплекса имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменных территориях; проведение вычислительных экспериментов по установлению оптимальных значений глубины русел и параметров паводковых дамб северной части ВАП в широком диапазоне параметров паводкового гидрографа с использованием разработанных моделей и программных средств; имитационное моделирование проектов углубления русел и установки паводковых дамб в северной части ВАП и проведение вычислительных экспериментов по оценке их эффективности с использованием разработанных моделей и программных средств.
Методы исследования. В работе применяются методы когнитивного анализа, гидродинамического и геоинформационного имитационного моделирования, вычислительного эксперимента, методы оптимизации, теории графов, технологии распределенных вычислений.
Научная новизна. Созданы новые комплексные междисциплинарные модели территориально распределенных и агрегированных параметров и критериев состояния пойменной территории и проектов его изменения на основе исследования зависимости паводковой динамики от структурных параметров гидросистемы территории методами вычислительного эксперимента, условной параметрической оптимизации в широком диапазоне внешних параметров. На основе созданных моделей разработана оригинальная компьютерная система имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменной территории. В результате проведения имитационного моделирования проектов углубления русел и размещения паводковых дамб в северной части ВАП исследована их эффективность на различных участках территории в широком диапазоне параметров паводкового гидрографа Волжской ГЭС.
Практическая значимость. Разработанные имитационные модели, результаты вычислительных экспериментов и программный комплекс имитационного моделирования могут найти применение при исследовании гидротехнических проектов на пойменных территориях.
Достоверность результатов обеспечивается корректным применением методов математического моделирования и оптимизации и подтверждается совпадением результатов альтернативных вычислительных экспериментов с применением различных методов и технологий.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Разработана комплексная модель гидротехнических проектов на поймен
ной территории, включающая в себя:
цифровые территориально распределенные, графовые и агрегированные
модели рельефа, гидрологической, функциональной структуры и критериев состояния пойменной территории; – модели параметрической оптимизации проектов углубления малых русел и установки паводковых дамб на основе их территориальной и структурной локализации.
-
Создан программный комплекс, реализующий оригинальные комплексные модели состояния пойменной территории и проектов его изменения и позволяющий проводить имитационное моделирование гидротехнических проектов в широком диапазоне параметров.
-
В результате вычислительных экспериментов с использованием созданного программного комплекса установлены оптимальные значения глубин
русел, максимизирующие площадь паводкового затопления экологически значимой территории северной части Волго-Ахтубинской поймы, определяемые, с одной стороны, их территориальной и структурной локализацией, с другой – параметрами паводкового гидрографа.
-
В результате имитационного моделирования проекта углубления малых русел северной части Волго-Ахтубинской поймы и вычислительных экспериментов по оценке его эффективности установлена разнонаправленность его действия для различных участков территории и найдены зоны его наиболее эффективной реализации, минимизирующие краткосрочный экологический ущерб для различных величин проектного ресурса.
-
В результате вычислительных экспериментов получены оценки меры негативного влияния действующих дамб в малых руслах Волго-Ахтубинской поймы на динамику паводковых процессов и эффективности проектов установки управляемых паводковых дамб для увеличения площади паводкового затопления ядра биосферной зоны. Тема и содержание диссертации соответствует п.п. 1,4,5,8 паспорта
специальности 05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ».
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на 9-ой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2016)» (Москва, 2016), III международной школе-конференции «Геометрический анализ и его приложения (Волгоград, 2016), XII международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (HTCS 2017) (Липецк, 2017), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2017), Научной сессии ВолГУ «Математика и информационные технологии» (Волгоград, 2017). Результаты диссертационной работы включены в отчеты по следующим научным грантам: научный грант Администрации Волгоградской области «Создание компьютерной системы поддержки принятия решений по улучшению гидрологического режима северной части Волго-Ахтубинской поймы: проведение экспертиз гидротехнических сооружений, имитационное моделирование, синтез оптимальных механизмов эколого-экономического управления» (2013 г., проект №286), грант РГНФ и Администрации Волгоградской области № 14-12-34019 «Проектирова-6
ние механизмов эколого-экономического управления территориями с низкой социально-экономической устойчивостью», грант РФФИ и Администрации Волгоградской области «Проектирование системы управления паводковым гидрологическим режимом северной части Волго-Ахтубинской поймы на основе геоинформационного и гидродинамического моделирования» (проект№16-48-340147, 2016-2017г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 научных публикациях, из которых 6 статей из перечня ВАК [1-6], 2 статьи в научных журналах, входящих в наукометрическую базу SCOPUS [7,8], 4 статьи в сборниках международных конференций [10-13], 1 монография [9]. Получены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018662005 от 25.09.2018 и базы данных № 2018621320 от 21.08.2018.
Личный вклад соискателя. На основе программно-математического комплекса «ЭКОГИС» (цифровая модель рельефа ВАП и модель численного моделирования ее паводковых затоплений), созданного научным коллективом под руководством проф. А.В. Хоперскова, автором создана комплексная адаптивная имитационная модель гидротехнических проектов на пойменной территории, включающая в себя комплексные адаптивные модели ее параметров и критериев состояния, модель проектов его изменения, а также комплексная модель оценки влияния структурных параметров ее гидросистемы на динамику паводкового затопления. Программные реализации цифровой кадастровой карты и иерархической русловой модели северной части ВАП проведены совместно соответственно с С.Е. Гребенюком и К.Е. Дубинко. Автором самостоятельно проведено имитационное моделирование всех проектов и выполнены вычислительные эксперименты по анализу их эффективности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4 глав, Заключения, 10 Приложений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 276 страниц машинописного текста.