CC BY
16
УДК 504.062.4
М. И. Ошкин, А. В. Писарев, И. А. Полозова, В. Ф. Желтобрюхов, Ю. Н. Картушина
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИКИ
ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОД РЕКИ МЕДВЕДИЦЫ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ПРИРОДООХРАННЫХ ЗАДАЧ
Ключевые слова: компьютерное моделирование, гидрология реки, динамика поверхностных вод, расчистка русла реки.
Построена компьютерная модель динамики поверхностных вод на участке расчистки русла реки Медведицы. Благодаря этой модели значительно облегчен поиск решений для широкого круга различных гидродинамических задач на произвольных территориях. Проанализирована необходимость проведения ежегодной расчистки русла реки Медведицы.
Keywords: computer modeling, hydrology of the river, the dynamics of surface water, sedimentary control on the river.
Designed a computer model of the dynamics of surface water in the area of sedimentary control on the Medvediza river. Due to this model is much easier to find solutions to a wide range of different hydrodynamic problems on arbitrary territories. Analyzed the need for annual of sedimentary control on the Medvediza river.
Соблюдение принципов охраны окружающей среды и рационального природопользования, при эксплуатации источников водоснабжения регионального значения, является актуальной природоохранной задачей [1]. Главным местным водным источником для города Михайловка Волгоградской области является река Медведица. По данным топографической съемки 2009 года на участке реки, в месте расположения водозаборных сооружений города Михайловки и промышленного предприятия ОАО «Себряковцемент», образовался перекат из донных отложений, что в свою очередь может привести к изменениям конфигурации русла, ухудшит экологическое состояние реки и затруднит бесперебойную работу водозабора.
Река Медведица является источником технического водоснабжения 3-х крупных промышленных предприятий и ЖКХ г. Михайловки. Проблема устойчивой эксплуатации водозаборных сооружений (построены в 1953г, реконструированы в 1968г) порождена неустойчивостью русла р. Медведицы, вследствие чего происходит занесение грунтом водоприемного устройства водозабора. Аварийные остановки зависят от многих факторов: сезонной неустойчивости течения; в силу геологического строения ложа и берегов реки; ландшафтно-географических условий; вследствие заносов русла реки плавником, илом, песчаными осадочными и выветрившимися горными породами, принесёнными течением; а также зарастания жесткой прибрежной растительностью.
Кроме того река Медведица один из крупнейших рыбохозяйственных притоков Среднего Дона, является нерестовой. Ихтиофауна реки представлена 50-ю видами рыб. В её состав входят так же краснокнижные виды: стерлядь и шемая. Наличие переката из донных отложений привело к обмелению реки и, соответственно, проблемам, связанным с прохождением и нерестом различных видов рыб. Расчистка выполняет природоохранную роль - углубление естественным путём обмелевшего русла реки.
Проведя анализ литературных источников [2] и оценку различных комплексных методик, был выбран наиболее экологически и экономически выгодный способ решения поставленной задачи, основная идея которого состоит в расчистке действующего русла реки Медведицы в непосредственной близости с водозабором и далее вверх по течению реки, на участке протяженностью около 2 км. Выбранный метод позволит улучшить экологическое состояние реки, а несомненная инновационная и экономическая привлекательность проекта поможет привлечь инвесторов [3].
Для проведения расчетов, позволяющих обосновать применение данного проекта, необходимо смоделировать и проанализировать динамику поверхностных вод на участке расчистки русла реки Медведицы.
Зачастую единственной возможностью решения разного рода задач, связанных с динамикой поверхностных вод на различных территориях в нестационарных условиях, является использование методов численного моделирования вместе с параллельными технологиями на различных суперкомпьютерах. В данном конкретном исследовании приведены результаты моделирования участка расчистки русла реки Медведицы.
Численное интегрирование уравнений гидродинамики, в приближении Сен-Венана, с учетом широкого спектра физических факторов: реалистичного рельефа местности, работы гидросооружений, испарения, инфильтрации, придонного трения, ветрового режима, вращения Земли и т.д., лежит в основе компьютерной модели динамики поверхностных вод. Данные модели необходимы для построения прогнозов нестационарного гидрологического режима из-за антропогенного воздействия на участок расчистки русла реки Медведицы.
На рисунке 1 приведен пример русла до начала проекта, на рисунке 2, для сравнения, приведено распределение воды на участке расчистки в 2013 году, полученное по результатам нашего численного моделирования, модель которого протестирована при использовании имеющихся наблюдений.
Для решения данной задачи предъявляются особые требования к качеству модели, в силу необходимости описания динамики воды с хорошим разрешением на масштабах до 10 м на территории площадью в несколько тысяч км2 в течении довольно продолжительного времени - 2-3 месяца. Так же необходимо качественное моделирование течения в более короткий промежуток времени равный примерно секунде, но соблюдение данных условий становиться возможным при использовании суперкомпьютеров и параллельных технологий.
На рисунке 3 изображены сложные поля скоростей воды во время максимального подъема уровня на участке расчистки русла реки Медведицы, на котором хорошо заметны мелкомасштабные вихревые структуры.
Рис. 1 - Русло до начала проекта
Рис. 2 - Русло после проведения работ
Наиболее важным фактором является актуальный рельеф, для построения которого требуется совместное использование данных наземных измерений и дистанционного
зондирования. Для поиска решения данной задачи была использована новая численная схема интегрирования уравнений гидродинамики, которая позволяет корректно описывать нестационарную границу между водой и сухим дном на сложном нерегулярном рельефе [4]. Также на рисунке 4 представлен вариант затопления участка расчистки во время максимального половодья, с наложением на карту местности.
Рис. 3 - Структура течения и поля скоростей на участке расчистки
Рис. 4 - Затопление участка расчистки русла реки Медведица
Поиск решений для широкого круга различных гидродинамических задач на произвольной территории, значительно облегчен благодаря использованию данного пакета программ, это возможность моделирования последствий аварий на различных крупных гидросооружениях, а также сезонных затоплений, проведения экспертиз при проектировании новых гидрообъектов, в том числе последствий аварий и разрушений с учетом социально-экономических и экологических требований.
Полученные и обработанные данные подтверждают, что расчистка проходит согласно рассчитанным ранее данным и не меняет сложившееся русло реки. На основании этих данных нами было создано техническое задание на
продолжение проектирования ежегодной эксплуатационной расчистки русла реки Медведицы, на вышеуказанном участке в качестве метода решения экологических проблем, предотвращения отложений наносов на водозаборном устройстве, а также эффективного направления рационального
природопользования [5].
Литература
1. Т.П. Гафиятова, О.И. Лебедева, Вестник Казанского технологического университета, 18, 2, 437-440, (2015).
2. Проект «Ежегодные эксплуатационные расчистки русла реки Медведицы» в районе водозабора ОАО «Себряковцемент». Волгоградская региональная
общественная научная организация «Экологическая академия». 2009.
3. М.И. Ошкин, И.А. Полозова, Ю.С. Голубева, В.Ф. Желтобрюхов, Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. трудов по материалам 6-й всероссийской научно-практической конференции с международным участием, Саратов, 2013. ч. 2. С. 2830.
4. А.В. Хоперсков, С.С. Храпов, А.В. Писарев, И.А. Кобелев, И. Г. Кудина, Суперкомпьютерные технологии в науке, образовании и промышленности, 177-181 (2012).
5. М.И. Ошкин, И.А. Полозова, Ю.С. Голубева, В.Ф. Желтобрюхов, Актуальные проблемы экологии и природопользования, 13, ч. 2, 148-152 (2011).
© М. И. Ошкин - аспирант кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» Волгоградского государственного технического университета, тел. +7-8442-24-84-41, e-mail: lion25.07.88@mail.ru; А. В. Писарев - к. физ.-мат. н., доцент кафедры Информационных систем и компьютерного моделирования того же ВУЗа, тел. +7-8442-46-48-94, email: pisarev@volsu.ru; В. Ф. Желтобрюхов - д. т. н., профессор, заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» того же ВУЗа, тел. +7-8442-24-84-41, e-mail z_vl_f@mail.ru; И. А. Полозова - к. т. н., докторант кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» того же ВУЗа тел. +7-8442-24-84-42, email: polozova.irina@gmail.com; Ю. Н Картушина - к. геол.-мин. н., доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность жизнедеятельности» того же ВУЗа, тел. +7-8442-24-84-42, e-mail: kartysina@rambler.ru.
© M. 1 Oshkin - postgraduate student of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, phone +78442-24-84-41, e-mail: lion25.07.88@mail.ru; A. V. Pisarev - PhD in Physics and mathematics sciences, associate professor, Department of Informational Systems and Machine Simulation of Volgograd State University, phone +7-8442-46-48-94, e-mail: pisarev@volsu.ru; V. F. Zheltobryukhov - Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, phone +7-8442-24-84-41, e-mail z_vl_f@mail.ru; I. A. Polozova - PhD in Technical sciences, post-doctorate researcher of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, phone +7-8442-24-84-42, email: polozova.irina@gmail.com; Yu. N. Kartushina - сandidate of geological-mineralogical sciences, associate professor of Industrial Ecology and Safety Dept. of Volgograd State Technical University, phone +7-8442-24-84-42, e-mail: kartysina@rambler.ru.
