Совершенствование методов имитационного моделирования движения водных потоков в бьефах речных гидроузлов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.07, кандидат технических наук Глотко, Анна Владимировна

• Глотко, Анна Владимировна
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Глотко, Анна Владимировна

Введение.

Глава 1. Существующие методы одномерного математического моделирования плавноизменяющегося движения воды в системах естественных и искусственных водотоков.

1.1. Краткий обзор развития методов вычислительной гидравлики открытых русел.

1.2. Математическое представление систем уравнений

Сен-Венана, используемых в программах MIKE11 и RIVER.

1.3. Схематическое построение русла и описание, применяемых расчетных схем.

1.4. Особенности методики построения поперечников, постановки начальных и граничных условий.

1.5. Алгоритм решения для простых русел методом двойной прогонки.

Глава 2. Создание одномерной математической модели водохранилища

Чебоксарского гидроузла на участке р.Волги между Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом.

2.1. Общая характеристика Волжско-Камского каскада гидроузлов.

2.2. Одномерная математическая модель Чебоксарского ф водохранилища, построенная по методике, применяемой в

Техническом Университете им. Фридерисиана г.Карслруэ.

2.3. Одномерная математическая модель Чебоксарского водохранилища, построенная по методике автора.

Глава 3. Сравнение методологии одномерного и двумерного математического моделирования движения сложных течений в русле водотока и на пойме.

3.1. Существующие методы описания движения воды на пойменных участках при помощи одномерных и двумерных уравнений.

3.2. Методы описания системы двумерных уравнений Сен-Венана для плановых течений потоков в руслах рек с размываемым дном, используемых в программе FLOOD.

3.3. Особенность расчетной схемы и алгоритм решения.

3.4. Методика схематизации численной модели, постановка начальных и граничных условий.

3.5. Подбор коэффициента шероховатости в одномерной и двумерной моделях и его роль в калибровке численных моделей.

Глава 4. Создание одномерной и двумерной математических моделей на участке р. Волги между Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом для минимальных (меженных) и максимальных (паводковых) расходов и сравнение полученных результатов.

4.1. Построение одномерной математической модели.

4.2. Построение двумерной математической модели.

Глава 5.Разработка специальных вопросов методологии использования

ГИС-технологий в сочетании с численной гидродинамикой для „ 86 решения задач гидротехники и водного хозяйства.

5.1. Обзор изученности и состояния современных ГИС-технологий.

5.2. Примеры использования ГИС-технологий в гидрологии, гидротехнике и экологии.

5.3. Совершенствование методов подготовки топографических исходных данных средствами ГИС для численного моделирования движения воды в русле и на пойме на примере участка между

Нижегородским гидроузлом и г.Нижним Новгородом.

5.3.1. Основные методы сбора, обработки и хранения топографической информации.

5.3.2. Понятие цифровой модели рельефа и принципы ее построения.

5.3.3. Проблема интерполяции и способы ее решения.

Глава 6. Сравнение различных методов построения интерполяционной поверхности.

6.1. Построение интерполяционной поверхности методом билинейной интерполяции на основе триангуляционной сетки.

6.2. Построение поверхности геостатистическим методом

Кригинг.

6.3. Построение поверхности методом геометрической интерполяции на основе ячеек Дирихле.

6.4. Определение точности различных интерполяционных методов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов имитационного моделирования движения водных потоков в бьефах речных гидроузлов»

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 программные комплексы MIKE11 и RIVER;

- сравнить результаты расчетов, выполненных на одномерной и двумерной математических моделях на участке конкретной реки, используя численные методы программ RIVER и FLOOD при прохождении максимального и минимального расходов в русле;

- изучить 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 объектов тремя способами: билинейным на основе триангуляционной 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:

- установлено, 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 сравнительные методические расчеты на одномерной и двумерной моделях конкретного участка речного русла - верхнего бьефа Чебоксарского гидроузла 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 минимального (меженного) расхода через поперечные сечения речного русла, очертания границ которых получены с разных интерполяционных поверхностей;

- на реальном объекте проведен сравнительный анализ трех методов интерполяции поверхности дна и берегов акваторий бьефов речных гидроузлов, 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 данными 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.

Заключение диссертации по теме «Гидротехническое строительство», Глотко, Анна Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Обзор научно-технической литературы, посвященной решаемой проблеме, показал, что численные методы, применяемые в теории и практике имитационного моделирования движения водных потоков в бьефах речных гидроузлов как в нашей стране, так и за рубежом появились в одно и тоже время и развивались примерно с одинаковой скоростью. В нашей стране было создано несколько сильных научных школ, результаты работы которых позволили развить теорию и внедрить ее затем на практике. Уже с самого начала отечественные исследователи обратили внимание на необходимость развития теории паводковых течений по пойме, чем предугадали актуальность решения этой задачи и в некотором смысле обогнали зарубежных исследователей.

ГИС-технологии также начали применяться для решения рассматриваемых гидравлических и гидротехнических задач в нашей стране одновременно с аналогичными работами, выполнявшимися и за рубежом, однако их практическое значение не было оценено в должной мере, а внедрение их в практику происходило сначала в узких направлениях, что не способствовало развитию программного обеспечения. Как следствие, в этой области первоначально наблюдается некоторое отставание в создании конкурентоспособных отечественных программ. В настоящее время в России наблюдается интенсивный рост использования ГИС-технологий, в том числе в области прогнозирования неблагоприятных ситуаций на водных объектах. Подробное изучение примеров использования ГИС-технологий для целей гидротехники, гидрологии и экологии показало единичное использование их совместно с расчетными гидродинамическими программами, моделирующими случаи нестационарного движения потока в русле. Это объясняется сложностью калибровки таких моделей. Автором не было встречено ни одного источника, указывающего на четкие правила использования геоинформационных технологий в качестве исходных данных для одномерного и двумерного моделирования.

2. В исследованиях, выполненных в рамках настоящей диссертации, была построена математическая модель водохранилища Чебоксарского гидроузла для максимальных (паводковых) и минимальных (меженных) расходов. Предварительно проанализировав модели, созданные для этого участка р. Волги в 1999 году, в рамках Международного проекта «Волга-Рейн», а также аналогичные модели для других водных объектов, автором было принято решение использовать для случаев пропуска максимальных и минимальных расходов различный набор поперечников, 75 и 170, соответственно. Подтверждением корректности данного решения стало значение коэффициента шероховатости, полученное после калибровки: для модели минимальных расходов он имел значение п=0.023; для модели максимальных расходов п=0.026. В варианте, первоначально разработанном в проекте «Волга-Рейн», при количестве поперечников 315 коэффициент шероховатости составлял п=0,033. Следующим шагом автора стал расчет на откалиброванной модели со 170-ю поперечниками нестационарной ситуации и сравнение ее с натурными данными, измеренными на водомерных постах. Проведенный нами сравнительный расчет для случаев нестационарного и стационарного режимов на двух одномерных неявных численных моделях показал хорошее совпадение результатов расчетов с натурными данными.

3. Для сравнения одномерной и двумерной численной модели автором был выбран участок р.Волга от Нижегородского гидроузла до г.Нижнего Новгорода, на которой были построены одномерные модели для минимальных (46 поперечников) и максимальных (14 поперечников) расходов, а также расчетная сетка для двумерной модели, расчет на которой проводился с учетом конвективных членов, то есть для случаев учета и неучета сил инерции. Результаты расчета для минимальных расходов показали, что на участке между временными водомерными постами ГОСГРЭС и г.Козино силы инерции оказывают существенное влияние, так как в этом месте русло реки поворачивает почти на 90 градусов.

4. Автором осуществлено изучение основных проблем при подготовке исходных данных для имитационных математических моделей движения речных потоков в бьефах речных гидроузлов с использованием ГИС-технологий. Последовательность подготовки была разделена на три этапа: к первому были отнесены натурные исследования, точность которых была предопределена нормативными документами используемых приборов; на втором этапе производился перевод данных натурных наблюдений в электронную форму; к третьему этапу были отнесены работы по обработке и редактированию переведенных в электронный вид исходных данных. Автором были выделены основные наиболее часто встречающиеся ошибки ввода исходных данных и предложены способы их корректного редактирования.

5. В рамках работы был проведен анализ литературных источников, посвященных проблеме интерполяции, а также результатов разработки пионерного проекта водохранилища Чебоксарского гидроузла. Этот анализ показал, что эту проблему следует рассмотреть более подробно, сравнив для примера отличающиеся по своему механизму способы интерполяции. В частности этот анализ показал следующее:

- билинейная интерполяция на основе триангуляционной сетки является самой простой при создании. Однако неоднозначность триангуляционной сетки приводит часто к ошибкам интерполяции, и, как следствие, возникает необходимость предварительного редактирования;

- геостатистическая интерполяция методом Кригинг по сравнению с билинейной является более точной, в особенности в отношении особенностей микрорельефа. Однако, с точки зрения временных затрат на ее осуществление она проигрывает двум остальным;

- геометрическая интерполяция на основе ячеек Дирихле показывает близкий к методу Кригинг результат, а по временным затратам приближается к билинейной интерполяции.

На каждой из вышеперечисленных интерполяционных поверхностей были построены поперечники для одномерной математической модели и при равных граничных условиях и значениях коэффициентов шероховатости были получены сравнительных расчетах результаты, близкие друг к другу.

Из этого можно сделать вывод о том, что на конечный результат моделирования оказывает существенное влияние не способ интерполяции, а количество и качество исходных топологических данных.

6. На заключительном этапе выполнения работы автором было изучено влияние размера ячейки интерполяционного растра на результаты численного моделирования водных потоков в речных руслах. Билинейным способом интерполяции на основе триангуляционной сетки были построены поверхности с разными размерами ячеек от 3x3м до 50x50м, для которых была подсчитана среднеквадратическая ошибка и построен график зависимости линейного размера ячейки от среднеквадратической ошибки. По поверхностям с размерами ячеек 50x5Ом были построены поперечники для одномерной математической модели и при равных граничных условиях и коэффициентах шероховатости в сравнительных расчетах были получены результаты, которые показали примерно одинаковые значения у растров с ячейками 5x5м, 25x25м и отличные от них результаты для ячеек 50x50м.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Глотко, Анна Владимировна, 2006 год

1. Алалыкин Г.В., Годунов С.К., Киреева И.Л., Плинер JI.A. Решение одномерных задач газовой динамики в подвижных сетках. М.: Наука, - 1970.

2. Алексеев В.В., Куракина Н.И., Орлова Н.В.Геоинформационная система мониторинга водных объектов и нормирование экологической нагрузки. ARCREVIEW 2000 №1(12) с.25-26.

3. Архангельский В.А. Расчеты неустановившегося движения в открытых водотоках. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1947 -136 с.

4. Атавин A.A. Расчет неустановившегося течения воды в разветвленных системах речных русел или каналов // Динамика сплошной среды. 1975. -Вып. 22. - С. 25-36.

5. Атавин A.A., Васильев О.Ф., Воеводин А.Ф., Шугрин С.М. Численные методы решения одномерных задач гидравлики // Водные ресурсы.-1983.-№4.-С.38-47.

6. Атавин A.A., Гладышев М.Т., Шугрин С.М. О разрывных течениях в открытых руслах // Динамика сплошной среды. 1975. - Вып. 22. - С.37-64.

7. Атлас Единой глубоководной системы Европейской части РСФСР. Том 5. р.Волга от Рыбинского гидроузла до Казани, 1988. Исправленный в 2003 г.

8. Барышников Н.Б. Морфология, гидрология и гидравлика пойм. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. - 280 с.

9. Барышников Н.Б. Речные поймы (морфология и гидравлика). Л.: Гидрометеоиздат, 1978.- 152с.

10. Беликов В.В, Колесников Ю.М., Иваненко С.А. Математическое моделирование пропуска весеннего половодья через городской бьеф р. Москвы.// Водные ресурсы, 2001, т.28, №5, с. 566-572.

11. Беликов В.В. Совершенствование методов и технологий прикладного численного моделирования в гидравлике открытых потоков. Дисс. д. т. н., М., 2005.

12. Беликов В.В. Вычислительный комплекс TRIANA- генератор сеток треугольных конечных элементов в произвольных плоских областях / Гос ФАП СССР, П007705. 1984.

13. Беликов В.В., Зайцев A.A., Милитеев А.Н. Численное моделирование кинематики потока на участке неразмываемого русла. //Водные ресурсы. 2001, Т. 28. №6. С.701-710.

14. Беликов В.В., Милитеев А.Н. Комплекс программ для расчета речных течений (FLOOD). //Российское агентство по патентным и товарным знакам. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2002610941. М.: 2002

15. Беликов В.В., Милитеев А.Н., Кочетков В.В. Комплекс программ для расчета течений в системе русел (RIVER). //Российское агентство по патентным и товарным знакам. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. № 2002610938. М.: 2002

16. Беликов В.В., Семенов А.Ю. Метод Годунова с модификацией Колгана для численного решения двумерных уравнений мелкой воды. //Тр. X конф. молодых ученых Моск. физ.-техн. ин-та (23 марта 7 апреля 1985). - Деп. в17