CC BY
47
УДК 556.531
А.В. Кудишин, канд. физ.-мат. наук, с.н.с. ИВЭП СО РАН, Барнаул, E-mail: [email protected]
ИНФОРМАЦИОННО-МОДЕЛИРУЮЩАЯ СИСТЕМА ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕЧЕНИЙ В СИСТЕМЕ РУСЕЛ
Представлены результаты работ по созданию информационно-моделирующей системы (ИМС) для расчета течений в системе русел. Разработанная структура и программное обеспечение позволяет адаптировать ИМС к различным СУБД и интегрировать с ГИС. Хорошее совпадение рассчитанных и наблюдаемых характеристик речного потока дает возможность использовать ИМС для решения различных водноэкологических задач.
Ключевые слова: гидрология, гидравлика, математическое моделирование.
Обобщить и проанализировать значительные объемы информации в условиях их географической, структурной и ведомственной разобщенности практически невозможно без создания единой системообразующей основы, в качестве которой основы выступают проблемно-ориентированные ГИС как инструмент решения комплексных задач, учитывающих природные и антропогенные факторы. Подобные системы должны обладать достаточно широкими функциональными возможностями, которые обеспечиваются дополнительным специализированным программным обеспечением. В частности, это могут быть информационно-
моделирующие системы (ИМС). В статье представлены результаты работ по созданию ИМС для расчета течений в системе русел, которая состоит из расчетного модуля, СУБД, модулей импорта и экспорта данных, модуля для 1 -Э визуализации натурных и расчетных данных. Блок расчета гидравлики реализован на основе нестационарной продольноодномерной модели течения (приближение «мелкой воды») в системе русел, характеризующейся достаточной общностью решений в классе одномерных моделей. В частности, на основе подобных моделей возможно решать задачи краткосрочного прогноза гидрологического стока.
Внешнее программное обеспечение (ГИС)
Рис. 1. Общая структура ИМС и связанных с ней потоков данных
Предложенная структура ИМС для расчета нестационарных течений воды в системах русел позволяет адаптировать её к различным СУБД и интегрировать с ГИС-системами. Для упрощения интеграции ИМС с различными БД и СУБД проведен анализ возможности унификации основных потоков информации внутри ИМС и в зоне «ИМС - база данных». Разработаны необходимые унифицированные структуры циркулирующих внутри ИМС данных и подсистемы обмена данными между ИМС и БД (СУБД). Общая структура ИМС и связанных с ней потоков данных представлена на рисунке 1.
Обмен данными между ИМС и БД (СУБД) осуществляется по цепочке «БД (СУБД)» - «загрузчик/транслятор» - «уни-
фицированные данные» - «внутренняя среда ИМС». Загрузчик оформлен отдельным блоком, обмен данными на линии «загрузчик/транслятор» - «ИМС» унифицирован. Для согласования типов и идентификаторов данных в БД и в ИМС вводится специальная таблица согласования: каждому параметру в ИМС ставится в соответствие определенный ресурс БД. Такой способ облегчает адаптирование программных кодов загрузки данных из различных БД без модификации структры ИМС. Для уменьшения количества обращений к БД при необходимости создается файловый кэш данных определенного формата. Необходимое взаимодействие ИМС с ГИС обеспечивается общей базой данных. В качестве системы для хране-
ния исходных и результирующих данных выбрана СУБД Огас1е ХЕ. Реализован прототип базы данных и разработаны соответствующие программные модули для выполнения необходимых запросов. Структура внутренних данных ИМС поддерживает создание и расширение библиотеки модели-
до 50
------1----— q,
д дх
рующих блоков, обеспечивающих решение различных водноэкологических задач.
Для расчета гидравлического режима используется система уравнений, описывающая нестационарное течение в открытом русле [1-2]:
(1)
^ а
—+— а ах
ш
(
+ gш
У
52 QQ
— + — ах к
л
2
= 0.
(2)
У
Здесь ю - площадь поперечного сечения потока; Q - расход воды; q - удельный (приходящийся на единицу длины русла) боковой приток воды; z - ордината поверхности потока; g - ускорение силы тяжести; х - продольная координата; 1 - время; К -
Г~ 1/ У
модуль расхода, К — ; К — w/ X - гидравлический радиус; х - смоченный периметр; С — - коэффициент
Шези.
При моделировании гидравлического режима одиночного участка реки граничные и начальные условия для уравнений (1)-(2) можно записать в виде [1-2]:
Граничные условия для уравнений (1)-(2): при X — 0 Q — Q(t) или 2 — х(1) ; при х — L Q — Q(z) или х — х(1) , или Q — Q(t).
Здесь Q — Q(z) - кривая связи.
Начальное условие:
при 1 — 0 Q — Q(x), о — о(х).
В разветвленных системах открытых русел во внутренних точках (точки слияния русел) ставятся условия сопряжения, выражающиеся в равенстве нулю суммы втекающих Qin и вытекающих Qout расходов и равенстве уровней свободной поверхности (как один из вариантов условий сопряжения):
□ Оп, 1 = □Qout,k , 1=1..Ль к=1..к1; ^=7 , для каждого п=1^(11+к1).
Здесь ^ - число входящих участков, к1 - число выходящих участков.
Работоспособность используемых при решения системы уравнений конечно-разностной схемы и алгоритмов подтверждена серией тестовых расчетов для модельных задач и сопоставлением численного расчета с натурными данными по участку длиной 100 км в нижнем бъефе Новосибирской ГЭС.
В качестве водного объекта для отработки математической модели и численных алгоритмов выбрана р. Обь на участке от г. Бийска до г. Камень-на-Оби. Река Обь - одна из крупнейших рек России, образуется от слияния рек Бия и Катунь, стекающих с Алтайских гор. Это - типично равнинная река, однако ее водный режим и режим некоторых притоков (в их числе Бия, Катунь, Ануй, Чарыш, Песчаная) формируется не только в равнине, но и в горных условиях. Неоднородность природных условий и распределение составляющих водного баланса (осадков, стока, испарения) в бассейне Верхней Оби является примером высотной зональности, определяющей характер водного режима рек. Существенную роль в формировании весеннего половодья на р. Обь играет наличие большого количества притоков, формирование весеннего стока которых также происходит в различное время. В верхнем течении реки (от места слияния рек Бии и Катуни до г. Новосибирска) отмечаются две волны половодья в весеннелетний период. Первая обусловлена таянием снега на равнинной части и предгорьях Алтая, и она получает значительное пополнение за счет впадающих в Обь рек Песчаная, Ануй, Чарыш, Алей, Чумыш и др. Ее максимум наблюдается в середине апреля - начале мая. Вторая волна является следствием таяния горных снегов и ледников, образуется преимущественно за счет вод Катуни, Бии, Чарыша и проходит в июне-июле. Вследствие этих особенностей весенне-летний гидрограф стока верхней Оби имеет пилообразный характер с преобладанием двух выраженных максимумов. При моделировании волн паводка в этой речной системе учитывается существенная пространственно-временная изменчивость процессов,
определяющих гидрологический режим рассматриваемого участка верхней Оби. В качестве первого приближения выделены бассейны наиболее крупных притоков. Сток с площади этих бассейнов в виде интегральной величины включен в расход самих притоков. Следуя этой схеме и используя информацию по гидрологическим постам, дана пространственновременная оценка водного стока (расхода) крупных притоков Оби. Схематизация расчетной области представлена на рисунке 2. В отмеченных створах (кружками) у населенных пунктов задавались расходы по данным водпостов. В замыкающем створе с. Малышево использовано условие свободного протекания. С использованием разработанной ИМС рас-считанны гидрографы половодья для расходов различной обеспеченности.
На рисунке 3 представлены результаты расчета гидрографа в районе Барнаула для 1988 г. С учетом погрешностей измерения на гидропостах (±5 % непосредственные измерения и погрешность определения расхода по кривой связи) в целом совпадение расчетных и натурных данных по расходу удовлетворительное. Исключение составляет период интенсивного снеготаяния (максимальная погрешность до 35 %). Для уточнения входящей в состав ИМС модели гидрологического режима верхнего течения р. Обь в первую очередь необходимо усовершенствовать модель боковой приточности в период снеготаяния и периоды интенсивных дождевых осадков.
Рассчитанные параметры речного потока могут использоваться для решения различных водно-экологических задач, в частности для определения границ зон затопления при расходах различной обеспеченности и целей краткосрочного прогноза гидрологического стока. Разработанная структура и. программное обеспечение ИМС для расчета нестационарных течений воды в системах русел позволяет адаптировать её к различным СУБД и интегрировать с ГИС.
время
Рис. 3. Динамика расхода и уровня воды в районе г. Барнаула. Расчет для 1988 г.
References
1. Vasiliev, O.F. Mathematical modeling of water quality in the systems of open channels / O.F. Vasiliev, A.F. Voevodin // Dynamics of continuous media. - Novosibirsk: Publishing House of the IG of the SB AS of USSR. - 1975. - Vol. 2.
2. Vasiliev, O.F. Numerical method for calculating the propagation of long waves in open channels and its application to the problem of flood / O.F. Vasiliyev, S.K. Godunov // Papers of the USSR Academy of Sciences - 1963. - V. 151. - № 3.
Article Submitted 17.12.10
