Результаты компьютерного моделировании гидравлических процессов на устьевом участке русла Р. Терек с использованием программного комплеса TerekFloodGIS

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 14, 2008. -I-

МЕЛИОРАЦИЯ, ГИДРОТЕХНИЧЕСКИЕ СООРУЖЕНИЯ

УДК 681.5:631.6

А.В. Магомедова, М.А. Гуруев

РЕЗУЛЬТАТЫ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЩДРАВЛИНЕСКМЖ ШРОИРЕССОВ НА УСТЬЕВОМ УЧАСТКЕ РУСЛА р. ТЕРЕК С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕСА TerdkFioodGIS

Дается описание программного комплекса для компьютерного моделирования гидравлических процессов в речном русле сложной конфигурации, разработанного на базе ГИС-интерфейса и внешних расчетных модулей. Программный комплекс обеспечивает расчет и визуализацию кривых свободной поверхности руслового потока, уровней воды в створах и точек перелива воды через гребни дамб обвалования, а также определение пропускной способности русла и потерь стока по его длине при паводковых расходах различной обеспеченности. Приведены результаты моделирования руслового потока на устьевом участке р. Терек при паводковых расходах различной обеспеченности: кривые свободной поверхности, графики изменения пропускной способности русла по длине исследуемого участка реки и др. Полученные данные являются основой для моделирования зон затопления прибрежных территорий.

Ключевые слова: программный комплекс, компьютерная модель, гидравлические процессы, паводок, русловой поток, пропускная способность русла.

Проблема прогноза наводнений, одна из наиболее актуальных в сфере прогнозирования чрезвычайных ситуаций, является важной и для северных территорий Приморского Дагестана, в условиях постоянно сменяющихся периодов трансгрессии и регрессии Каспия, ветровых нагонов, а также частых паводков на реке Терек с ее сложной конфигурацией деформируемого русла, незарегулированностью стока и наличием постоянно обновляемой системы дамб обвалования. Для решения ее необходимо наличие инструментов для оперативного анализа и обработки большого объема гидро- и геоинформации, а также моделирования гидравлических и гидрологических процессов в русле реки и речной долине.

Вследствие многофункционального характера задач моделирования паводков на данном этапе на примере устьевого участка р. Терек реализована компьютерная гидродинамическая модель паводкового руслового потока на базе разработанного прогнозно-моделирующего комплекса TerekFloodGIS, с использованием ГИС-интерфейса и внешних расчетных модулей для численного моделирования гидравлических и гидрологических процессов в русле реки при паводках различной обеспеченности. Составными частями программного комплекса являются:

Геоинформационная среда для работы с электронными картами, атрибутивными базами данных, проведения пространственного ГИС-анализа, обеспечения обмена данными с внешними расчетными модулями и визуализации результатов моделирования;

Крупномасштабная векторная электронная карта прибрежных территорий нижнего течения р. Терек;

• Топографическая база данных по поперечным профилям исследуемого участка русла р. Терек;

• Внешние гидравлические модули Streamflow и SedimentTransport для численного моделирования гидравлических процессов в речном русле и транспорта руслоформирующих наносов при паводках различной обеспеченности [1];

Внешние гидрологические модули Water_Frequency и Terek_Water для статистической обработки гидрологических рядов, расчета и визуализации кривых обеспеченности расходов;

• Программное обеспечение для встраивания расчетных модулей в ГИС и взаимного обмена данными между ГИС и внешними модулями.

Геоинформационная среда для функционирования программного комплекса, созданная на базе ГИС-оболочки ArcView GIS 3.2a, содержит векторную карту прибрежных территорий нижнего течения р. Терек с топографической основой масштаба 1:50000 и стандартным набором тематических слоев. Для численного моделирования гидравлических процессов в реке, а также обмена исходными данными и результатами моделирования между внешними модулями и ГИС, по данным Государственного океанографического института создан тематический слой «Поперечники 2006», содержащий табличную и графическую базы данных по 30 поперечным профилям русла в пределах дамб обвалования (рис. 1).

Геоинформационная среда обеспечивает работу как с основными, так и с внешними моделирующими и расчетными модулями, вызываемыми непосредственно из среды ArcView GIS с помощью встроенных в интерфейс кнопок. Расчетные гидравлические и первый гидрологический модули разработаны на алгоритмическом языке Compaq Visual Fortran 6.6, снабженном визуализатором массивов Compaq Array Visualizer 1.6 и интегрированной средой разработки, отладки и выполнения программ Developer Studio [2]. Визуализация кривых свободной поверхности потока осуществляется мастером диаграмм Microsoft Excel и визуализатором массивов Compaq Array Visualizer, вызываемым встроенными кнопками из среды ArcView GIS. Визуализация из среды ArcView GIS поперечных профилей русла и уровней воды в виде диаграмм Microsoft Excel осуществляется инструментом Горячая связь.

Рис. 1. Программный комплекс TerekFloodGIS: визуализация из среды ГИС поперечного профиля р. Терек с расчетными уровнями воды при расходах различной обеспеченности

Гидравлический модуль Streamflow предназначен для численного моделирования гидравлических процессов в речных руслах сложной конфигурации, расчета кривых свободной поверхности руслового потока на пике паводков различной обеспеченности, определения урезов воды, точек перелива воды через гребни дамб и их плановых координат для визуализации на электронной карте, пропускной способности створов реки и исследуемого участка реки в целом. В нем реализована математическая модель течения в виде общей интегральной формы уравнений неустановившегося одномерного течения, основанной на гипотезах Сен-Венана и законах сохранения массы и количества движения, применимой как для неразрывных, так и разрывных течений в руслах с произвольной, изменяющейся вдоль реки формой поперечного сечения. В отличие от существующих одномерных моделей, применимых для призматических русел, в модуле реализован алгоритм расчета распределения гидравлических характеристик течения по ширине русел произвольной формы, включая островную и многорукавную, а также учет сил давления в поперечных сечениях и реакций боковых поверхностей русла [3].

Численная гидравлическая модель руслового потока реализована в модуле Streamflow, который состоит из головной программы, управляющей алгоритмом расчета, и 20 подпрограмм, обеспечивающих различные расчетные процедуры, файловый ввод и вывод данных, том числе:

• DataType_Declaration - модуль объявления атрибутов переменных и динамически размещаемых массивов, используемых различными подпрограммами;

• Streamflow_Inp - подпрограмма ввода исходных данных из текстовых файлов;

• Streamflow_Out - подпрограмма вывода результатов расчета в текстовые файлы с разделителями для возможности конвертирования их в базы данных ГИС и визуализации;

SteadyFlow - подпрограмма расчета кривых свободной поверхности и гидравлических характеристик установившегося течения в естественном речном русле, обеспечивающая решение конечно-разностного уравнения установившегося течения;

• CrossSection - подпрограмма расчета гидравлических характеристик живых сечений речного русла неправильной формы при заданных уровнях воды в створе, а также расчета распределения гидравлических характеристик течения по ширине русла;

SectDirect, GeodInfo - подпрограммы обработки исходной информации геодезической съемки русла для представления ее в требуемой форме входных данных;

WaterEdge - подпрограмма расчета геодезических координат урезов воды в створах реки для визуализации их на электронной карте;

DamOverfull - подпрограмма определения створов реки с точками перелива воды через гребни дамб и расчета их геодезических координат для визуализации на карте;

• SectGraph, LevelSectGraph - подпрограммы подготовки выходных данных для визуализации в среде Microsoft Excel поперечных профилей русла и уровней воды при расходах различной обеспеченности;

RiverCapacity - подпрограмма расчета пропускной способности речного русла в пределах дамб обвалования;

• WaterSurface - подпрограмма формирования файлов для визуализации в среде Microsoft Excel и Compaq ArrayVisualizer расчетных кривых свободной поверхности потока, без учета потерь стока по длине русла;

• WaterSurfRiv - подпрограмма формирования файлов визуализации кривых свободной поверхности потока, с учетом потерь стока по длине исследуемого участка реки и др.

Входными данными для модуля Streamflow являются: набор признаков счета, определяющих различные сценарии моделирования, начальные и граничные условия; количество расчетных створов и расстояния между ними; координаты поперечных профилей русла; плановые координаты промерных точек, абсолютные отметки съемочных урезов воды

в межень, гидрограф паводка и др. Выходные данные: гидравлические характеристики потока в расчетных створах, отметки уровней воды в створах реки при заданных расходах, а также плановые координаты и высотные отметки урезов воды в створах, которые визуализируются на электронной карте ГИС.

Апробация гидравлического модуля Streamflow выполнена на материалах натурных данных Даггидрометцентра и Западно-Каспийского БВУ об уровнях воды на гидропостах нижний бьеф Каргалинского гидроузла и Аликазган устьевого участка р. Терек на пике паводка в июне 2002 г. и в межень октября 2002 г., а также натурных данных ГОИН о меженных уровнях воды в 40 поперечниках устьевого участка в сентябре 2006 г. Сопоставление натурных и расчетных отметок уровней воды показало удовлетворительное соответствие.

Для численного моделирования затопления территорий при паводках различной обеспеченности необходима информация о возможных уровнях подъема воды в различных створах реки при прогнозируемых расходах паводка и местах перелива воды через бровки русел или гребни дамб обвалования. Для получения такой информации была проведена первая серия численных экспериментов для определения высотных отметок кривых свободной поверхности потока на исследуемом участке р. Терек при паводковых расходах различной обеспеченности: 75% - 350 м3/с, 50% - 690 м3/с, 20% - 960 м3/с, 10% - 1340 м3/с,

3 3 3

3% - 1600 м /с, 1% -1840 м /с, 0,5% - 2000 м /с, без учета потерь стока по длине русла из-за возможного перелива воды через гребни дамб обвалования. Результаты расчетов выводились в текстовые файлы отметок кривых свободной поверхности потока, которые загружались в таблицы Microsoft Excel и визуализировались мастером диаграмм.

По результатам расчетов отметок уровней воды в расчетных створах в системе ArcView GIS создан тематический слой «Уровни воды в створах 0,5%-75% обеспеченности», при активизации которого уровни воды в створах при расходах различной обеспеченности визуализируются инструментом Горячая связь на поперечных профилях русла в виде диаграмм Microsoft Excel (см. рис. 1).

2200

2000

1800

1600

„ 1400

?5

S

2 1200 EI О ш

â 1000 о

X

и го

800

600

400

200

0

0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 110000

Расстояние от Каргалинского г/у, м

Рис. 2. Пропускная способность устьевого участка р. Терек в пределах дамб обвалования при расходах от 75% до 0,5% обеспеченности с учетом потерь стока по длине русла

1 200

0 200 0

84 1 0 18 0 \

N \

t г .1787 8 0 Q 75% обеспеченности, м3/с —о— Q 50% обеспеченности д Q 20% обеспеченности — - ^ 10% обеспеченности — - ^ 3% обеспеченности — — Q 1% обеспеченности Q 0.5% обеспеченности

1 \ \ *

1600 1600

16 0 N

1 34 0 13 0 ч \ 34 2,3 13 42 ,3

i I I 133°,3

34 1 1

1 0 1340

960 960 960 977 1

г s 82 3,5

690 960 ч h*

690 677,1

69 0

L

3 50 3 50 350

J

ч 237,7

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 14, 2008. -I-

Для определения створов, где возможен перелив воды через гребни дамб обвалования при паводковых расходах той или иной обеспеченности, в процедуре DamOverfull реализован алгоритм поиска створов реки с точками перелива воды через гребни дамб на левом или правом берегу и расчета их географических координат. По результатам расчетов созданы тематические слои «Перелив воды через гребни дамб ...» (при расходах 0,5%-75% обеспеченности), при включении которых точки перелива воды через гребни дамб визуализируются на линиях поперечников на электронной карте.

Вторая серия численных экспериментов проводилась с целью определения пропускной способности створов реки, пропускной способности всего исследуемого участка реки и потерь стока по длине русла. Эта информация необходима как для возможности численного моделирования реального паводкового потока с потерями стока по длине русла, так и для определения объемов воды, образующих зоны затопления. Для решения этих задач в процедуре RiverCapacity реализован алгоритм гидравлического расчета пропускной способности створов реки, потерь стока по длине русла и изменяющихся вниз по течению расчетных расходов при паводках различной обеспеченности (рис. 2).

С учетом полученных данных о пропускной способности устьевого участка р. Терек и связанных с ней потерях стока по длине русла была проведена третья серия численных экспериментов для получения реальных высотных отметок кривых свободной поверхности потока на исследуемом участке при паводковых расходах различной обеспеченности (рис. 3).

Диаграммы Microsoft Excel с информацией о кривых свободной поверхности потока в нижнем течении р. Терек при паводковых расходах различной обеспеченности и при различных сценариях моделирования, а также с информацией о пропускной способности отдельных створов и всего исследуемого участка реки в пределах дамб обвалования, с учетом потерь стока по длине русла, визуализируются при включении кнопок 1-6 со специальным программным обеспечением, встроенных в интерфейс ArcView GIS (см. рис. 1).

Расстояние от Каргалинского г/у, м

Рис. 3. Расчетные кривые свободной поверхности устьевого участка р. Терек на пике паводка при расходах 75% - 0,5% обеспеченности и уровне Каспия -27,03 м, с учетом пропускной способности русла

При наличии цифровой модели рельефа прибрежных территорий полученные результаты компьютерного моделирования гидравлических процессов на устьевом участке р. Терек могут служить основой для моделирования зон затопления при паводках различной обеспеченности.

Библиографический список:

1. Магомедова А.В., Гуруев М.А., Таинов Р.Р. Численное и пространственное моделирование гидравлических процессов в русле реки и речной долине во время паводка // Вестник ДГТУ. Технич. науки. - Махачкала, 2005. - Вып. 7. С.170-173.

2. Бартеньев О.В. Современный Фортран. - М.: Диалог-МИФИ, 1998. - 397 с.

3. Кюнж Ж.А., Холли Ф.М., Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики. - М., 1985. - 255 с.

Вестник ДГТУ. Технические науки. № 14, 2008. A.V. Magomedova, M.A. Ghuruyev.

THE RESULTS OF THE COMPUTER MODELLING OF HYDRAULIC PROCESSES IN THE MOUTH SECTION OF THE RIVER TEREK'S BED WITH THE USE OF THE TerekFloodGIS PROGRAMME COMPLEX

The paper presents a description of a programme complex for computer modelling of hydraulic processes in a river-bed of a compound configuration, developed on the basis of the GIS-interface and external estimated modulus.

The results of modelling a river-bed in the mouth area of the river Terek during the freshnet consumptions of different provision are illustrated: the free surface's curves, the diagrams of change of a river-bed's transmissive capacity by length of the river area investigated, and others. The facts received are the basis of modelling the inundation zones of the riverside territories.

Магомедова Алла Витальевна (р. 1937) Профессор кафедры ГТС Дагестанского государственного технического университета. Доктор технических наук (1984) Заслуженный деятель науки (1992) Окончила Тбилисский ГПИ (1959).

Область научных исследований: Математическое моделирование и прогноз гидравлических и эрозионных процессов в речных руслах с использованием компьютерных и геоинформационных технологий Автор 94 научных работ

Гуруев Магомед Абдуллаевич (р. 1964) Директор филиала ФГУ «ЦЛАТИ» по ЮФУ-«ЦЛАТИ» по республике Дагестан. Кандидат биологических наук (1995) Окончил Дагестанскую сельхоз академию (1989) Область научных исследований: геоэкология Автор 26 научных работ