Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современные подходы для решения задач о моделировании паводковых и прорывных волн для обоснования защитных мероприятий 9
1.1 Анализ недавних наводнений и мероприятий по защите сельскохозяйственных земель 9
1.2 История развития теории о моделировании паводковых и прорывных волн 14
1. 3 Выводы по главе 23
Глава 2. Оценка влияния исходных данных на точность математического моделирования паводковых и прорывных волн 25
2.1 Обзор точности получаемых исходных данных для моделирования движения жидкости в открытых руслах 25
2.2 Геоинформационные технологии в математическом моделировании 27
2.3 Оценка влияния донной шероховатости на точность математического моделирования волны в случаях сухого и смоченного русла 30
2.4 Анализ результатов моделирования паводковых и прорывных волн в зависимости от уровня воды в нижнем бьефе 41
2.5 Выводы по главе 50
Глава 3. Разработка методики моделирования речного потока при прохождении экстремальных расходов 51
3.1 Создание технологии обоснования противопаводковых мероприятий 51
3.2 Калибровка модели 63
3.3.Верификация методики 70
3.4 Выводы по главе 82
Глава 4. Расчеты и сопоставление результатов моделирования 84
4.1 Описание созданной методики и программного средства для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн 84
4.1 Расчет при использовании инструмента MIKE 11 90
4.2 Расчет по разработанной методике 96
4.3 Выводы по главе 98
Глава 5. Апробация методики получения инженерных обоснований противопаводковых мероприятий и сравнение с другими программными продуктами 99
5.1 Инженерные обоснования противопаводковых мероприятий 99
5.2 Выводы по главе 110
Заключение 112
Список литературы: 115
- История развития теории о моделировании паводковых и прорывных волн
- Создание технологии обоснования противопаводковых мероприятий
- Описание созданной методики и программного средства для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн
- Инженерные обоснования противопаводковых мероприятий
Введение к работе
Актуальность темы:
В последние годы увеличилось количество чрезвычайных ситуаций, которые привели к значительному ухудшению качества земель и ущербу населенным пунктам. Так, например, наводнение в Амурской области в 2013 году привело к гибели посевов сельскохозяйственных культур на площади в 627,4 тыс. га. Эвакуировано 1727 человек из затопленных поселений. Летом 2012 года из-за наводнения в Крымске погибло 168 человек, пострадало 53107 человек, было разрушено 1200 домов, наводнение уничтожило около 150 га посевов, ущерб оценен в 70 миллионов рублей. Для восстановления разрушенных земель требуются огромные затраты, которые намного превышают средства, требуемые для проведения противопаводковых мероприятий. На ликвидацию последствий наводнения в Крымске было потрачено свыше 15 миллиардов рублей, в то время, как гидротехническая защита города от наводнения оценивается в 5 миллиардов рублей.
Наиболее распространенными способами защиты от затопления являются строительство дамб или создание польдерных систем. Ввиду значительной протяженности объектов защиты для определения параметров защитных сооружений перспективно применение численного гидродинамического моделирования. На его основе оценивается распространение паводковых и прорывных волн и проводится расчет зон затопления в речной долине.
Использование существующих программных средств для определения зон потенциального затопления в результате прохождения паводка или волны прорыва возможно только высококвалифицированными специалистами с использованием дорогостоящего оборудования, при этом их стоимость достаточно велика. В тоже время применяемые методики моделирования и программные продукты не предлагают оперативного решения для задач, связанных с оценкой последствий катастрофических паводков. Разработка экспресс-технологии моделирования паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления, является актуальным направлением научных исследований.
Целью исследований является обоснование мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления на основе оперативного компьютерного моделирования распространения паводковых и прорывных волн.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
проведен анализ существующих способов борьбы с затоплением земель и связанных с ними гидротехнических мероприятий;
обоснованы требования к исходным данным, необходимым для проведения исследований по определению типа и состава противопаводковых мероприятий; проведено исследование погрешностей, возникающих в различных методах расчета зон затопления в результате распространения паводка или волны прорыва и найдены упрощённые способы их учёта;
разработаны алгоритм, метод, создана компьютерная программа для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн, основанная на современных геоинформационных технологиях; разработан способ калибровки гидродинамической модели;
проведено численное двумерное моделирование на основе разработанного метода возможного паводка на реке Малый Узень с определением зоны затопления, значений расходов, продольных и поперечных скоростей, отметок свободной поверхности водного потока, времени добегания и продолжительности затопления поймы в требуемых створах, необходимых для обоснования инженерных защитных мероприятий;
выполнено сопоставление результатов численного моделирования с данными, полученными для выбранного водного объекта с использованием других программных продуктов;
определены состав мероприятий и параметры гидротехнических сооружений, защищающих населённые пункты и сельскохозяйственные земли на исследуемой территории от затопления.
Объектом исследований являются водные объекты (водохранилища и реки), земли сельскохозяйственного назначения, противопаводковые гидротехнические сооружения. Предметом исследования являются численные методы гидродинамического моделирования, а также мероприятия по защите земель сельскохозяйственного назначения от затопления.
Методика исследований базируется на обобщении общепринятых методов проведения математического моделирования прохождения паводковых и прорывных волн. Разработка алгоритмов и программная реализация основаны на методических рекомендациях по моделированию открытых русловых потоков с использованием математического представления систем уравнений Сен-Венана, а также с использованием методов описания турбулентных течений в открытых руслах. Создание программы для определения участков затопления осуществлялось на языке программирования С#, с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2012 с применением современных геоинформационных технологий.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
разработана новая экспресс-технология обоснования мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления, на основе созданного алгоритма и компьютерной программы, позволяющей определять параметры паводковых и прорывных волн и зоны затопления с ранжированием их по глубине;
разработан новый метод оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн с полуавтоматической калибровкой модели, использующий современные геоинформационные технологии для определения параметров сооружений инженерной защиты сельскохозяйственных земель;
разработаны требования к исходным данным, необходимым для инженерного обоснования противопаводковых мероприятий на основе оперативного моделирования волны паводка или волны прорыва с использованием современных компьютерных технологий.
Основные положения, выносимые на защиту:
экспресс-технология получения инженерного обоснования необходимых противопаводковых мероприятий, основанная на методике компьютерного оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн;
метод моделирования, позволяющий проводить расчеты распространения волны паводка или волны прорыва с использованием спутниковых данных о рельефе для определения территорий потенциально попадающих под затопление в результате чрезвычайной ситуации;
теоретическое обоснование необходимых исходных данных, необходимых и достаточных для инженерного обоснования противопаводковых мероприятий на основе оперативного моделирования с использованием современных компьютерных технологий.
Практическая значимость проведенных исследований заключается в разработанной экспресс-технологии, на основе нового метода и созданной компьютерной программы для гидродинамического моделирования прохождения прорывных и паводковых волн по речной долине для обоснования необходимых инженерных мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления.
Достоверность результатов исследований подтверждается теоретическими положениями гидравлики, гидродинамического моделирования, опытом практического применения численного моделирования для решения задач, связанных с прохождением паводков. Результаты, полученные по разработанной технологии моделирования, согласуются с данными, полученными с использованием известного программного комплекса MIKE 11 в одномерной постановке, требующего существенно больших временных, организационных и финансовых затрат.
Апробация результатов исследований. Основные положения и результаты исследований диссертационной работы были доложены на Международной научно-практической конференции «Роль мелиорации и водного хозяйства в инновационном развитии АПК» (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-20 апреля 2012 г.); V-ой Международной конференции молодых ученых и специалистов "Инновационные технологии и экологическая безопасность в мелиорации" (ВНИИ "Радуга" г. Коломна 17 -19 октября 2012 г.); Международной научно-практической конференции «Мелиорация и проблемы восстановления сельского хозяйства России» (Костяковские чтения) (ВНИИГиМ Россельхозакадемии, г. Москва 20–21 марта 2013 г.); Международной научно-практической конференции «Проблемы комплексного обустройства техноприродных систем», (Московский государственный университет природообустройства, г. Москва 16-18 апреля 2013).
Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, в том числе 2 работы из списка изданий, рекомендованных ВАК.
Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, общих выводов, библиографии и приложений; изложена на 125 страницах машинописного текста, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 15 таблиц, список литературы включает 117 наименований, в том числе 34 зарубежных авторов.
История развития теории о моделировании паводковых и прорывных волн
Основоположником мелиоративной науки в России был А. Н. Костяков. В своем фундаментальном труде «Основы мелиораци» [45] он описывал способы мелиорации пойм и затопленных низменностей. Понятие о деградации почв, в том числе с влиянием антропогенного фактора было изложено в работах А. А. Измаильского и Б. А. Шумакова [29]. В работах Б. А. Брудастова был изложен метод отвода поверхностных вод с помощью закрытых собирателей. [13] Работы С.Ф Аверьянова о управлении водным режимом мелиорируемых земель, о методах расчета дренажа для отвода воды широко применяются при проектировании мелиоративных мероприятий. [1]
Для решения задачи моделирования паводковых и прорывных волн и обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления проведен анализ литературных источников, описывающих возможные подходы моделирования течения жидкостей.
Для решения задачи о получении зон затопления в результате паводка возможны следующие способы получения результатов:
1. Физические модели. В этом случае ставится задача попытаться определить или даже измерить параметры волн на физических моделях реального объекта в лабораторных условиях. К такому подходу прибегали ранее, когда не было возможности производить компьютерное моделирование объекта. Для этого метода требуется большое количество ресурсов для построение модели, которая будет подобна реальному объекту. А для случая, по расчету волн с быстро изменяющейся свободной поверхностью, будут возникать огромные трудности, чтобы соблюсти гидродинамическое подобие нашей модели с реальным объектом.
2. Проведение аналитических расчетов. В этом подходе предпринимается попытка рассчитать гидродинамические параметры на основе либо аналитических методов, либо различных моделей типа «черного ящика», где по соотношению различных таблиц, графиков, наблюдений за реальными объектами, мы можем предугадать результат. Этот метод служит лишь для очень условных расчетов. Так аналитические методы применимы только на частных, наиболее простых случаях, в случаях призматических русел или при простых начальных и граничных условиях. Модели типа «черного ящика» позволяют только рас смотреть явление в отдельных участках в определенное время, но не дают полной картины, что будет происходить на рассматриваемом участке.
3. Численное моделирование. Численное моделирование волн прорыва, самые популярные способы на сегодняшний день, они базируются на различных математических моделях исследования рассчитываемого объекта в различных ситуациях. Они различаются по уровню сложности, который коррелирует с точностью результата. Далее рассмотрим различные методы численного математического моделирования.
На сегодняшний день показано, что определить параметры распространения паводковых и прорывных волн можно только с применением численного компьютерного моделирования.
Течения жидкостей, делятся на два сильно различных друг от друга типа: ламинарные (плавно изменяющиеся, регулярные) и турбулентные (неупорядоченные). В случаях распространение паводковых и прорывных волн течение жидкости будет турбулентным.
П. Брэдшоу (1971) [11] выдвинул такое определение турбулентности: «это трехмерное нестационарное движение, в котором вследствие растяжения вихрей создается непрерывное распределение пульсаций скорости в интервале длин волн от минимальных, определяемых вязкими силами, до максимальных, определяемых граничными условиями течения. Она является обычным состоянием движущейся жидкости, за исключением течений при малых числах Рей-нольдса».
Существование ламинарного и турбулентного режимов течения было замечено еще в первой половине XIX в., но начало теории турбулентности было изложено в работах Осборна Рейнольдса (1883) [23]. Рейнольде установил существование общего критерия динамического подобия течений вязкой несжимаемой жидкости, так называемое число Рейнольдса.
Было установлено, если число Re достаточно мало, то течение жидкости является ламинарным. При достижении числом Re критического значения движение жидкости становится турбулентным.
Первая попытка описания процессов переноса количества движения в турбулентных потоках принадлежит Буссинеску (1877) [23, 49]. Согласно модели Буссинеска турбулентное движение среды рассматривалось как движение ньютоновской «турбулентной жидкости». Буссинеск предложил градиентный подход для описания процессов турбулентного переноса. Он неявно заключал в себе допущение о локальности механизмов этого переноса. Эти идеи получили развитие в работе Прандтля. (1925) [106] Современная формулировка гипотезы «локальности» была определена в труде Л.Г. Лойцянского (1958) [52]. Согласно ней «механизм турбулентного переноса количества движения полностью определяется заданием местных значений производных от осредненных скоростей по поперечной к направлению потока координате и физических свойств жидкости (плотности).
В работах Ричардсона, описывается каскадный механизм передачи энергии в турбулентном потоке. (1922) [23]. Ричардсон предположил, что каскадный процесс передачи энергии в турбулентном потоке, завершается на самых мелкомасштабных структурах, где кинетической энергия переходит в тепло. Далее в работах Джеффри Тэйлора (1935) [23] было введено понятие об однородной и изотропной турбулентности. В его работах исследуется роль мелкомасштабной турбулентности в процессах турбулентного переноса. Основным свойством мелкомасштабной турбулентности является ее слабая зависимость от индивидуальных особенностей течения.
Позднее Российским ученым Андреем Николаевичем Колмогоровым (1941) [40] были сделаны существенные результаты в создании целостной теории локально изотропной турбулентности. Он выдвинул гипотезу о том, что режим турбулентности при больших числах Рейнольдса, является универсальным и определяется лишь двумя размерными параметрами - средней скоростью диссипации энергии и коэффициентом вязкости.
Важные исследования полуэмпирической теории пристенной турбулентности были сделаны 50-е годы в работах Е. Ван-Дриста (1956) [112] и Ф. Клау-зера (1956). В работе Клаузера (1956) сформировано современное представление о структуре пограничного слоя, как пятислойном образовании, включающем внутреннюю область с тремя подобластями, и внешнюю, включающую так называемую область закона следа с характерной для нее постоянной турбулентной вязкостью и область перемежаемости (надслоя).
Важную роль в развитии теории турбулентности, основанной на использовании уравнений для вторых моментов, сыграли работы А.Н.Колмогорова (1942) и Прандтля-Вигхардта (1945), в которых была выдвинута гипотеза, связывающая коэффициент турбулентной вязкости и кинетическую энергию турбулентности. Так появилось семейство моделей получивших название к — є модели турбулентности. Далее была разработана к — со модель (Уилкокс (1988)), которая стала крупным успехом в моделировании пристеночных течений при больших продольных перепадах давления. Затем была предложена, двупараметрическая, к — со модель Ментера (1993) [103].
В последнее время активно развиваются альтернативные подходы для моделирования турбулентности. Так было сформулировано прямое численное моделирование (DNS - Direct Numerical Simulation). Из работ, описывающие результаты получаемые этим методом стоит У. Шуман, Г. Гретцбах, Л. Кляй-зер(1984), [39]).
Благодаря ограниченности методов прямого численного моделирования турбулентных течений (DNS) получили развитие методы моделирования крупных вихрей.(LES-методы) Основная идея метода LES заключается в формальном математическом разделении крупных и мелких структур посредством той или иной операции. Основные работы в этой области : Ф. Дурста, Б.Е. Лаундера (1982), Дж. Ферцигера (1977)), Смагоринский (1963,1971) [23], (Д. Лилли, 1967).
Создание технологии обоснования противопаводковых мероприятий
Для создания экспресс-технологии на основе анализа необходимых исходных данных и упрощенных зависимостей рассмотренных в предыдущей главе был разработан алгоритм и создана компьютерная программа на языке программирования С# с использованием среды разработки Microsoft Visual Studio 2012.
Технология обоснования защитных мероприятий включает в себя следующие этапы: ввод исходных данных и параметров моделирования; получение объекта исследования; автоматическая и ручная калибровка модели; моделирование паводковой или прорывной волны; получения обоснований противопаводковых мероприятий, в том числе определение местоположения защитных дамб и обоснование методов и материалов для крепления откосов защитных дамб. Блок-схема алгоритма получения инженерного обоснования противопаводковых мероприятий приведена на рисунке 19.
На этапе ввода исходных данных и получения базы данных производится ввод необходимой информации для моделирования, как автоматически при загрузке цифровой модели рельефа, так и вручную, путем ввода необходимой информации о гидрологии водоисточника. В результате обработки информации получаем базу данных с возможностью вывода необходимой информации о исследуемой территории (высотная отметка рельефа в заданной точке, удаление от плотины, и необходимые параметры водного объекта). В дальнейшем разрабатываемая программа будет основываться на использовании информации из созданной базы данных. Процесс получения необходимых обоснований противопаводковых мероприятий будет начинаться с ввода данных о параметрах вероятной чрезвычайной ситуации. Это может быть, как развитие крупномасштабного паводка, так и образование волны прорыва. В случае образования волны прорыва задается начальные параметры прорана, в случае развития паводка необходимо задать возможный приток воды во времени. На основе анализа входных данных будет производится обоснования участка моделирования. По сути, будет происходить обрезка рельефа местности, где возможно влияния паводковой и прорывной волны. Этот процесс выполняется в результате оценки и сравнения отметок рельефа с отметками воды в русле. То есть если рельеф будет характеризоваться резким увеличением высотных отметок при удалении от русла, тогда участок для моделирование можно значительно уменьшить. В результате проведенных действий возможно получить обоснование объекта исследований. Далее для назначения мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления требуется произвести автоматическую калибровку модели. Так для проведения расчетов по найденным упрощенным зависимостям необходимо найти значения калибровочной функции, которая будет добавлять в упрощенные формулы зависимость от возникающего трения. Процесс получения значений автоматической калибровки будет описан ниже. В результате будут получены данные для всех расчетных сечений реки, учитывающие шероховатость подстилающей поверхности. На следующем этапе в результате последовательного моделирования параметров волны для всех сечений реки, будут найдены параметры паводковых и прорывных волн для каждой точки на рассматриваемой территории. В случае наличия дополнительных данных о шероховатости поверхности предусмотрена ручная калибровка модели с редактированием значений автоматической калибровки. Такие данные могут быть получены с качественных спутниковых снимков или с помощью дополнительных изыскательских работ. В таком случае возможно получение более качественных результатов. Но стоит заметить, что проведенные результаты с автоматической калибровкой модели показывают надежные результаты, в сравнении с другими апробированными методиками. В результате проведения моделирования получены данные о возможных зонах затопления с ранжированием их по глубине. Все результаты моделирования записываются в базу данных с возможностью удобного сохранения и вывода любой необходимой информации о процессе распространения паводковой или прорывной волны. На основе найденной информации возможно обоснование необходимых защитных мероприятий. Для защиты территорий принято решение о строительстве дамб обвалования. В результате работы алгоритма и компьютерной программы получаем данные о местоположении дамб (трасса дамб) и местах, где необходимо дополнительное укрепление откосов защитных дамб. На основе полученных результатов специалистами могут быть даны рекомендации по реализации превентивных мер по предотвращению или снижению возможного ущерба, вызванного воздействия наводнения. Такие мероприятия могут быть назначены, если моделирования возможного паводка проводится заблаговременно, что позволяет создать необходимые средства по борьбе с затоплением на исследуемой территории. В случае проведения моделирования и получения обоснований противопаводковых мероприятий, когда уже получен неблагоприятный прогноз, в таком случае для защиты территорий требуется проведение таких мероприятий, таких как строительство дамб обвалования с оптимальными параметрами для защиты наибольшей территории, которая попадает в зону затопления. Таким образом полученный алгоритм и разработанная на его основе компьютерная программа позволяет получать обоснования необходимых противопаводковых мероприятий как заблаговременно, так и в экстренном режиме, при имеющихся данных об угрозе возникновения чрезвычайной ситуации.
Моделирование распространения волны проводится последовательно для каждого момента времени. Алгоритм реализует нисходящую и восходящую схемы. Нисходящая схема предполагает расчет параметров распространения волны вниз по течению, в то время как восходящая схема предполагает моделирование потока вверх по течению. Также, при моделировании волны с понижением рельефа будет использоваться нисходящая схема, а в случаях образования волны подпора или обратного течения, будет применяться восходящая схема. Завершение работы программы расчета будет в том случае, когда исследована вся область или окончено развитие паводка. В обоих случаях будет определена территория, которая окажется затопленной при прохождении волны по исследуемому участку реки.
Исследуемый комплексный подход моделирования речного потока позволяет рассматривать не отдельные небольшие участки местности, а перейти к эффективной схеме расчета и прогноза потока крупных речных систем, заметно расширяя области применения.
Применение комплексного гидрологического подхода позволяет повысить точность расчетов и тем самым повысить практическую значимость предложенной методики в различных прикладных задачах.
В обычных случаях задачу о нахождении зон затопления разрешают в 3 этапа.
На первом этапе по имеющимся топографическим картам необходим перевод их в цифровую модель рельефа, где для каждой ячейки сетки, представляющей собой единицу масштаба, задаются ее координаты и высотная отметка. Также на этом этапе задаются параметры и геометрия поперечников русла реки. Стоит заметить, что алгоритм позволяет загружать информацию о рельефе в любом формате, включая простое табличное описание координат точек с высотными отметками выгружаемое из ГИС систем. Пример таких исходных данных: (8663317.74; 5594877.58; 67.36), где первое число - координата по X, второе число - координата по Y, третье число - координата по оси Z, то есть высотная отметка.
Таким образом, загружать рельеф можно любого масштаба и любой точности, в дальнейшем в результате действия алгоритма он будет преобразован в необходимый для расчета формат,
На втором этапе используя предварительно созданную цифровую модель рельефа проводится моделирование волны, например в программе МІЬСЕ 11, в результате чего получают поперечники, в которых произошел перелив волны. На третьем этапе по полученным поперечникам находят зоны, которые окажутся затопленными в результате прохождения волны паводка. На данном этапе задача состоит в том, чтобы выводилась 2D карта с исследуемой местности с изображением зон затопления, ранжированные по глубине.
Такой подход к решению задачи о поиске зон затопления не позволяет проводить исследования для различных исходных параметров волны. Зачастую все три этапа выполняются разными специалистами, что намного усложняет процесс получения искомого результата.
Описание созданной методики и программного средства для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн
Для описания возможностей созданного программного продукта приведем описание его преимуществ, необходимых исходных данных для проведения моделирования и результаты, которые возможно получить с его помощью.
Преимущества разработанной методики и созданного на основе программного продукта:
- Моделирование паводковых и прорывных волн производится по упрощенным формула, что позволяет проводить исследования при минимальном количестве исходных данных, при этом ошибка расчетов, в сравнении с ресур-созатратными методами незначительна.
- Моделирование речной системы занимает минимальное время (от загрузки цифровой модели рельефа до получения итоговых результатов требуется около часа).
- В результате одного цикла моделирования выводится вся информация, включающая карту и площадь зон затопления. Это позволяет при изменении исходных параметров, сразу получать результаты в виде 2D изображения исследуемой местности с изображением затопленных участков. Y ,м (уровень воды)
Для проведения моделирования требуются следующие исходные данные:
- Цифровая модель рельефа подгружаемая из файла .txt;
- Координаты места образования прорыва (стартовая позиция);
- Параметры образовавшегося прорана (длина прорана, напор волны прорыва);
- Объем водохранилища.
В результате обработки исходных данных были получены поперечные сечения реки (рисунок 33). При моделировании были определены границы исследуемой территории. Область была разбита расчетной сеткой с шагом 1 м. Были выбраны контрольные поперечные сечения реки. В каждом сечение были получены параметры волны.
Интерфейс программы приведен на рисунке 34. На рисунке виден рельеф местности, который получается в результате загрузки ЦМР, видны зоны затопления, ранжированные по глубине, также видна таблица, с полученными данными о площадях затопления. Для получения подробных результатов, требуется зайти в меню программы и выбрать интересующие параметры.
В результате процесса расчетов получаем следующие параметры:
1. Параметры рассчитываемые перед началом процесса моделирования:
- Шаг координатной сетки по координатам: X,Y и Z. (находится в зависимости от загруженного файла с ЦМР);
- Начальный расход волны прорыва или волны паводка.
2. Параметры, рассчитываемые во время процесса моделирования (по следовательно для каждого конкретного момента времени):
- Текущее время, пройденное с момента образования прорана;
- Текущая скорость волны прорыва или волы паводка для фронта волны;
- Пройденное расстояние;
- Текущий расход для фронта волны;
- Текущая высота фронта волны прорыва или волны паводка.
3. Параметры рассчитываемые по окончании процесса моделирования:
- Площади зон затопления ранжированные по глубине (менее 1 метра, от 1 до 2 метров, от 2 до 3 метров, более 3 метров).
- График зависимости расхода от расстояния от места образования волны паводка или волны прорыва. На этом графике видим постепенное убывание расхода волны. Это происходит вследствие того, что гребень волны прорыва или волны паводка постепенно распластывается, и после прохождения отметки в 75 000 м опасность затопления территорий в случае крупномасштабного паводка значительно уменьшается, (рис. 35)
- График зависимости скорости паводковых и прорывных волн от гидравлического радиуса, для всех сечений, (рис 36)
- График скоростей в зависимости от расстояния от плотины. Как видно из графика максимальная скорость потока сильно зависит от рельефа местности, так на некоторых участках наблюдается резкие скачки максимальной скорости волны прорыва. Значения максимальных скоростеи должны учитываться при проектировании мероприятии для защиты сельскохозяйственных земель от затопления, (рис. 37)
- Параметры потока в интересующей точке (расстояние от начала, максимальная скорость, максимальная глубина, время достижения максимального уровня. В результате таких данных пользователь может сразу посмотреть интересующую его точку для определения в ней параметров распространения волны прорыва или волны паводка.
Полученные результаты позволяют проводить исследования по необходимому типу и составу противопаводковых мероприятий. Так получены необходимые данные о продольных и поперечных скоростях, уровнях потока, ранжированных по глубине. Также получены данные о времени достижения максимального уровня и о времени прихода фронта волны.
Для расчета безопасности гидротехнических сооружений необходима оценка ущерба вызванного возникновением и развитием гидродинамической аварии при разрушении напорного фронта плотины с образованием волны прорыва и ее последующим распространением и затоплением прилегающих территорий. Такое развитие событий нанесет ущерб для населения, экономики рассматриваемого региона.
При этом следует рассматривать сценарий, мгновенного разрушения плотины, вследствие неустановленной причины, повлёкшее за собой образование волны прорыва и дальнейшее её распространением по руслу реки и на прилегающую территорию.
Для примера рассмотрим сценарий гидротехнической аварии на реальном объекте сооружений Верхнеперескопновского водохранилища. Приведем примеры расчеты, полученные при моделировании волны прорыва в разработанной программе и в программном комплексе MIKE 11.
Инженерные обоснования противопаводковых мероприятий
В качестве мероприятий, защищающих сельскохозяйственные земли от затопления, должны использоваться различные активные и пассивные методы.
В качестве активных методов необходимо проводить следующие мероприятия:
1. Регулирование стока в русле рек;
2. Отвод паводковых вод;
3. Регулирование поверхностного стока на водосборах;
4. Заблаговременное разрушение ледяного покрова рек.
Основным подходом в борьбе с затоплениями земель является уменьшение максимального расхода воды в русле, путем распределения его во времени. Для этого могут применяться различные мероприятия по перенаправлению стока.
В качестве пассивных методов борьбы с затоплениями земель используется:
1. Ограждение территорий дамбами обвалования;
2. Увеличение пропускной способности речного русла;
3. Повышение отметок защищаемой территории;
4. Агролесомелиорация.
Дамбы обвалования представляют собой сплошные насыпи из различных материалов для предотвращения затопления больших территорий. В населенных пунктах, где существует угроза затопления, требуется строительство бетонных защитных стенок. Параметры неразмывающих скоростей для создания облицовки каналов бетонными и железобетонными плитами приведены в таблице 10.
Согласно таблице 11 для песчаных грунтов со средним размером частиц 2 мм, неразмывающая скорость в зависимости от глубины потока от 0,64 м/с до 0,83 м/с. Если средняя скорость потока будет больше этих значений произойдет размыв тела дамбы, в результате чего она окажется смыта и будет затоплены значительные территории пойменных земель. Далее приведем обоснования противопаводковых мероприятий, которые необходимо провести для защиты сельскохозяйственных земель и населенных пунктов от затопления.
Было проведено моделирование распространения волны согласно сценарию, указанному в предыдущей главе для участка реки Малый Узень и получены данные о зонах затопления, ранжированных по глубине, в результате чего найдены параметры необходимых мероприятий по защите сельскохозяйственных земель и населенных пунктов от затопления. Данные о привязке основных объектов, включая населенные пункты, к продольному профилю реки с расстояниями от плотины указаны в таблице 12.
В результате исследований было установлено, что возведение защитных дамб является основным способом предотвращения затопления сельскохозяйственных земель. Работы по возведению дамб обвалования могут быть назначены при возникновении угрозы чрезвычайной ситуации и выполнены до по-приходы волны на защищаемый участок. При этом методика позволяет оперативно найти зоны возможного затопления, для того, чтобы строительные бригады успели возвести необходимые дамбы обвалования. При обосновании противопаводковых мероприятий на примере реки Малый Узень полученные данные моделирования показали, что площадь затопленных земель с глубинами до 2 м составляет 104,1 км2. С учетом необходимости создания запаса 0,5 метра над уровнем воды высота дамб принята равной 2,5 метра.
Из полученных данных об уровнях и зонах затопления исследуемой речной долины реки Малый Узень, было определено местоположение дамб. Общая протяженность дамб обвалования составила 122,4 км, в том числе с креплением внешнего откоса щебнем или гравием — 31,2 км, с отсыпкой откосов песком с размером зерен 3 мм - 11,3 км. Сведения по распространению паводковых и прорывных волн, полученные по разработанной методике, в зависимости от расстояния от плотины приведены в таблице 13. Были получены данные о глубине, скорости волны и времени достижения максимального уровня для исследуемых сечений реки. Стоит заметить, что достижение максимального уровня происходит через некоторый временной промежуток после добегания фронта волны.
В результате оптимальными параметрами для защиты территорий от затопления, при условии сохранения максимальной площади при минимальных затратах на строительство защитных дамб являются:
ширина гребня затопляемой дамбы: 2 м;
коэффициенты заложения откосов дамбы со стороны реки: 2 - 3,5;
коэффициенты заложения сухих откосов дамбы со стороны реки: 2 — 3;
необходимый запас: 0,5 м;
максимальный уровень воды: 2 м;
укрепление сухого откоса дерном;
укрепление мокрого откоса дамбы согласно таблице 14.
Материал для строительства дамб обвалования обоснован исходя из данных о фактических и о неразмывающих скоростях.
В результате проведенных исследований были получены зоны затопления, уровни воды и продольные скорости для каждого сечения реки. Основываясь на полученные данные можно предоставить инженерные обоснования необходимых противопаводковых мероприятий. Были получены значения о местоположении и о материалах укрепления откосов дамб обвалования для рассматриваемого участка реки, согласно данным о скоростях фронта волны.
В результате анализа параметров распространения волны прорыва или волны паводка были получены зоны затопления, ранжированные по глубине. С использование этих данных можно определить местоположение дамб обвалования и места, где требуется укрепление откосов дамб специальными материалами. На остальных участках укрепление берегов специальными материалами не требуется. На таких участках необходимо возведение дамб из однородного суглинистого грунта, карьеры которого находятся на территории исследуемого участка. Высота дамб также должна составлять 2,5 метра с учетом необходимого запаса 0,5 метров над уровнем воды. Для наглядности расположение трасс дамб произведено на спутниковых снимках. В качестве примера, на рисунке 39 показаны зоны возможного затопления, и указана трасса защитных дамб на участке около поселка Краснянка.
В результате исследований на участке вблизи населенного пункта Краснянка и Черная Падина, пришли к выводам, что для защиты территории требуется строительство дамб обвалования высотой 2,5 м на найденных участкам, показанных также на рисунке 39. В результате моделирования было найдено, что на расстояниях в 41716 м до 43540 м от плотины скорость волны прорыва оказалась более 1,1 м. В этот интервал попадает населенный пункт Краснянка, который находится на расстояниях 40771-42586 м от плотины. Для защиты населенного пункта и сельскохозяйственных земель на этом интервале требуется укрепление откосов дамб обвалования щебнем или гравием с размером частиц грунта 10 мм. Для защиты от затопления населенного пункта Краснянка возможно создание польдерной системы. Также было установлено, что на расстояниях от плотины в 48520 м до 50352 м, в которые попадает населенный пункт Черная Падина (48520-49767 м), возможная скорость потока превышает 1 м/с. В таком случае должно быть принято решение о укреплении на этом участке откосов дамб обвалования щебнем или гравием с размером частиц грунта 5 мм для предотвращения размыва тела дамб.
В результате исследований на участке реки вблизи населенного пункта Питерка, были получены меньшие масштабы затопления. Затоплению подвергаются только земли вблизи населенного пункта, также было установлено, что затопление самого поселка Питерка не происходит. В результате исследований было установлено, что на расстояниях больше 72778 м от плотины не наблюдается высоких скоростей потока, способных размыть тела дамб обвалования. Так в границах расположения пункта Питерка (150685 м - 159646 м) потребуется строительство дамб обвалования высотой 2,5 метра, согласно данным о их местоположении. В качестве защитных мероприятий требуется строительство дамб обвалования на указанных участках.
Как показывает исследование, противопаводковые мероприятия в первую очередь должны быть направлены на защиту населенных пунктов. Полученные данные о высоте волны прорыва позволили сделать вывод о том, что в первую очередь следует возводить защитные дамбы с укреплением откосов вблизи таких населенных пунктов Васильевка, Александрия, Еремеевка, Борисоглебовка, Алексашкино. В случае возникновения чрезвычайной ситуации потребуется срочная эвакуация жителей населенного пункта Перекопное, находящегося на расстоянии 1661 м - 4728 м от плотины. В последующем необходимо проводить противопаводковые мероприятия на оставшихся участках, если земли, которые окажутся пострадавшими в результате стихийного бедствия, используются в сельскохозяйственных целях.
