Автореферат (Моделирование паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления)

На правах рукописи

СТЕПАНОВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАВОДКОВЫХ И ПРОРЫВНЫХ ВОЛН ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ЗАЩИТЕ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ЗЕМЕЛЬ ОТ ЗАТОПЛЕНИЯ

Специальность 06.01.02 Мелиорация, рекультивация и охрана земель

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2013

Работа выполнена в Всероссийском научно-исследовательском институте гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Волынов Михаил Анатольевич

Официальные оппоненты: Снежко Вера Леонидовна,

доктор технических наук, доцент, Московский государственный университет природообустройства, зав. кафедрой информационных технологий в строительстве

Головинов Евгений Эдуардович,

кандидат технических наук, Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии, зав. лабораторией мелиоративных систем

Ведущее предприятие: НИИ ВОДГЕО

Защита состоится «23» декабря 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 006.038.01 в Государственном научном учреждении Всероссийский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А.Н.Костякова Россельхозакадемии по адресу: 127550, Москва, ул. Большая Академическая, д. 44.

Автореферат разослан «22» ноября 2013 г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ВНИИГиМ.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук С. Д.­­ Исаева

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.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цели и задачи исследований, определены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе приведены результаты анализа зарубежной и отечественной литературы по изучаемому вопросу. Обозначены способы обоснований противопаводковых мероприятий вследствие разрушения напорных фронтов гидротехнических сооружений с образованием волн прорыва или во время крупномасштабных паводков. Рассмотрены значительные чрезвычайные происшествия последнего времени, а также их катастрофические последствия для населения, экономики и экологии в различных странах мира.

Проанализированы работы выдающихся отечественных и зарубежных учёных: А. Н. Костякова, А. А. Измаильского, В. В. Подырева, П. А. Витте, Б. А. Шумакова, А. Д. Брудастова, И. А. Шарова, С. Ф. Аверьянова, Б. Сен-Венана, П. Бредшоу, А.Н. Милитеева, С.Я. Школьникова, М.Т. Гладышева, Д.В. Штернлихта, Д. Монтеса, С. А. Христиановича, ДЖ. Стокера, Н.М. Евстегнеева, В.В. Беликова по способам мелиорации пойм и затопленных низменностей, охраны земель от затопления, по проблемам использования гидродинамического моделирования для обоснования защитных гидротехнических сооружений. Исходя из результатов анализа, показаны достоинства, недостатки и диапазоны применимости существующих методов моделирования распространения паводковых и прорывных волн. Показано, что определить параметры распространения паводковых и прорывных волн можно только с применением численного компьютерного моделирования. Проведен анализ существующих программных комплексов, предназначенных для решения поставленных задач. Показано, что для одномерного и двумерного моделирования волн существуют такие программные комплексы, как MIKE 11, MIKE 2; для трехмерного моделирования вязкой несжимаемой жидкости с сильно изменяющейся свободной поверхностью возможно применение Flow3D и ANSYS CFX (FLUENT). Из разработанных в России программных продуктов применяется FlowVision, позволяющий решать трехмерные уравнения динамики жидкости.

Показано, что все рассмотренные программные продукты не позволяют оперативно получать исходные данные для обоснования противопаводковых мероприятий и требует значительных материальных и временных ресурсов. Таким образом, очевидна необходимость создания упрощённой технологии инженерных обоснований противопаводковых мероприятий, сопоставимой по надежности получения результатов с существующими, но при этом обладающей преимуществом в скорости проведения моделирования и простоте реализации. Технология должна при минимальном наборе исходных данных позволять проводить моделирование распространения волны паводка или волны прорыва, по результатам которого получать двумерную карту исследуемой местности с зонами затопления, ранжированными по глубине, а также другие параметры характеризующие распространение волн.

Во второй главе были теоретически обоснованы и сформулированы требования к исходным данным, необходимым для проведения выбора типа и состава противопаводковых мероприятий. Проведено исследование погрешностей получаемых различными методами распространения волны прорыва или паводка.

В большинстве случаев базовой системой для гидродинамического моделирования служит трехмерная система эволюционных уравнений Навье-Стокса, которая в векторной форме записывается в виде: