CC BY
31
имущественного комплекса / В.А. Махт // О принципах природно-сельскохозяйственного и земельно-оценочного зонирования территории : сб. науч. тр. - Омск : Изд-во ФГОУ ВПО ОмГАУ, 2006. -252 с.
3. Оленёв К.Я. Природно-сельскохозяйствен-ное районирование - основа изучения и планирования использования и охраны земель в Сибири : лекция / К.Я. Оленёв. - Омск, 1990. - 20 с.
4. Рейнгард Я.Р. Состояние, использование и охрана почв Омской области : монография / Я.Р. Рейнгард, В.А. Махт, Н.В. Осинцева ; М-во сел. хоз-ва РФ, Ом. гос. аграр. ун-т. - Омск : Вариант-Омск, 2011. - 97 с.
5. Рогатнев Ю.М. Зонирование как информационная основа для обеспечения устойчивого развития сельскохозяйственного производства / Ю.М. Рогатнев, Н.А. Капитулина // Ом. науч. вестн. - ОмГТУ, ноябрь, 2015. - С. 145-147.
6. Коцур Е.В. Эколого-хозяйственное зонирование агроландшафтов Павлоградского района Омской области / Е.В. Коцур, М.Н. Веселова // Ом. науч. вестн. - ОмГТУ, ноябрь, 2015. - С. 143-145.
Рогатнев Юрий Михайлович, д-р экон. наук, проф., Омский ГАУ, [email protected]; Капитулина Наталья Александровна, ст. преподаватель, Омский ГАУ, [email protected]; Мату-шинская Дарья Сергеевна, магистрант, Омский ГАУ, [email protected].
stvennogo kompleksa / V.A. Maht // O principah prirodno-sel'skohozjajstvennogo i zemel'no-oce-nochnogo zonirovanija territorii : sb. nauch. tr. - Omsk : Izd-vo FGOU VPO OmGAU, 2006. - 252 s.
3. Olenjov K.J. Prirodno-sel'skohozjajstvennoe rajonirovanie - osnova izuchenija i planirovanija ispol'zovanija i ohrany zemel' v Sibiri : lekcija / K.J. Olenjov. - Omsk, 1990. - 20 s.
4. Rejngard Ja.R. Sostojanie, ispol'zovanie i ohrana pochv Omskoj oblasti : monografija / Ja.R. Rejngard, V.A. Maht, N.V. Osinceva ; M-vo sel. hoz-va RF, Om. gos. agrar. un-t. - Omsk : Variant-Omsk, 2011. - 97 c.
5. Rogatnev Yu.M. Zonirovanie kak informa-cionnaya osnova dlya obespecheniya ustojchivogo razvitiya sel'skohozyajstvennogo proizvodstva / Yu.M. Rogatnev, N.A. Kapitulina // Om. nauch. vestn. - OmGTU, noyabr', 2015. - S. 145-147.
6. Kocur E.V. Ecological-economic zoning of agro-Pavlograd district of Omsk oblast / E.V. Kocur, M.N. Veselova / Om. nauch. vestn. - OmGTU, noyabr', 2015. - S. 143-145.
Rogatnev Yury Mikhaylovich, Dr. Econ. Sci., Prof., Omsk SAU, [email protected]; Kapitulina Natalia Aleksandrovna, Senior Lecturer, Omsk SAU, [email protected]; Matushinskaya Daria Sergeevna, Master Student, Omsk SAU, [email protected].
УДК 69.034.96 В.И. Сологаев
Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск
О МОДЕЛИРОВАНИИ ПОДТОПЛЕНИЯ И ДРЕНИРОВАНИЯ ЗЕМЕЛЬ
С ПОМОЩЬЮ ФОРТРАНА
Рассмотрена методология моделирования фильтрации подземных вод в почвах и грунтах при защите от подтопления в городском строительстве и сельском хозяйстве. Целью исследования является использование численного метода конечных разностей для моделирования движения подземных вод с помощью алгоритмов, написанных на языке программирования фортран. Научная новизна статьи в особых приемах и алгоритмах, содержащихся в разработке автора на языке программирования фортран. Проведена привязка теоретических выкладок к практике гидрогеологических работ в условиях подтопляемых земель. Исследование проведено с теоретическими выкладками на примере города Калуги с применением авторской программы на фортран, специально разработанной для данной темы. Рассмотрена напорная нестационарная фильтрация подземной воды в песке при откачке из 13 скважин по схеме неограниченного в плане водоносного пласта. Для моделирования принят участок размером в плане 500 на 500 метров. Компьютерная модель водопонижения методом конечных разностей использует явную схему. Шаги пространственной сетки модели по горизонтали и вертикали приняты равными. Шаг време-
© Сологаев В.И., 2017
ни на модели принят максимально возможный с учетом критерия устойчивости счета по явной схеме. Расчетное время модели на компьютере с тактовой частотой 2.13 GHz получалось от нескольких секунд до 10 минут. Результаты расчета записаны в выходные текстовые файлы. По ним построены карты напоров подземных вод при работе системы из 13 водопонизительных скважин. В отличие от традиционного алгоритма вычислительной математики с циклом for-end, для решения разностной схемы применен вложенный цикл фортрана do-end. Тесты показали увеличение скорости расчета модели на три порядка, то есть примерно в тысячу раз.
Ключевые слова: фильтрация, подземная вода, грунты, защита от подтопления, моделирование, алгоритмы, фортран.
Введение
Фильтрация подземных вод количественно может быть рассчитана с помощью закона Дарси. Необходимо совершенствовать методологию моделирования движения воды в почвах и грунтах, отталкиваясь от изначальных теоретических основ с опорой на опытные данные. Наиболее современный способ моделирования - использование численных методов. Автор отдает предпочтение методу конечных разностей (МКР). Далее показано использование языка программирования фортран для решения поставленных практикой задач моделирования подтопления и дренирования.
Объекты и методы
Компьютерное моделирование водопонижения из 13 скважин выполнено для стадии строительства многофункционального спортивного комплекса «Дворец спорта» в городе Калуге. Научно-исследовательская работа проведена на основании исходных данных, изложенных в техническом отчете об инженерно-геологических изысканиях 11267-ИГИ ОАО «КалугаТИСИЗ» 2014 г. Все необходимые данные предоставил советник генерального директора территориального проектного института ТПИ Омскграж-данпроект, кандидат технических наук Раис Шакирович Абжалимов.
Площадка изысканий расположена в городе Калуге по улице Ленина, на территории существующего стадиона. На момент проведения изысканий площадка занята под футбольное поле, трибуны, административное помещение и торговые павильоны. Рельеф ровный, спланированный. Отметки рельефа 193,00-195,60 м. Перепад - 2,6 м. Климат умеренно континентальный. Инженерно-гидрогеологические данные схематизированы по рекомендациям справочного пособия к СНиП [1]. За условный (относительный) ноль принята средняя отметка низа водонасыщенного песка с абсолютной отметкой 180,25 м. Коэффициент фильтрации песка k = 2 м/сут. Его средняя мощность M = 6 м. Выше песка до поверхности земли расположен суглинистый грунт толщиной 7 м с коэффициентом фильтрации ничтожно малой величины 0,00003 м/сут. Уровень подземных вод (УПВ) залегает на 2 м ниже уровня земли. Водонасыщенный песок подстилается водоупорными глинистыми грунтами.
Средняя глубина водопонизительной скважины принята 20 м. Она проходит с поверхности земли 7 м суглинистого грунта, ниже - 6 м водонасыщенного песка и заглубляется на 5 м в водоупорные глинистые грунты. Общая глубина скважины около 20 м, в том числе 2 м отстойник. Напор в скважине при водопонижении принят постоянным на отметке 180,25 м. В схематизированной схеме водоносного пласта это соответствует низу песка при контакте с водоупором. Скважина гидродинамически совершенная, ее фильтр принят на всю мощность М = 6 м водонасыщенного песка.
Компьютерная модель построена методом конечных разностей (МКР). Рассмотрена напорная нестационарная фильтрация подземной воды в песке при откачке из 13 скважин по схеме неограниченного в плане водоносного пласта. Напор в скважине Нс = 0 м. Начальный естественный напор в подземных водах Не = 13 м. Мощность во-
доносного песчаного пласта М = 6 м. Коэффициент фильтрации песка, по данным изысканий, k = 2 м/сут. Коэффициент водоотдачи песка принят по Бецинскому [2]
Л = 0,117^£ = 0,117^2 = 0,13. (1)
Для моделирования принят участок размером в плане 500 на 500 метров. Схема расположения водопонизительных скважин, предложенная Р.Ш. Абжали-мовым, показана на рис. 1. На расстоянии около 15 м от скважин 1-го и 5-го верхнего ряда расположены, соответственно, два 5-этажных жилых дома (5КЖ) - левый и правый. Для них на компьютерной модели необходимо было получить информацию о понижении УПВ при водопонижении.
Первая контрольная точка 1КТ по определению пониженного уровня подземных вод (УПВ) находится в центре котлована здания бассейна (рис. 1). Вторая контрольная точка 2КТ - в центре котлована здания дворца.
Компьютерная модель водопонижения методом конечных разностей (МКР) использует явную схему: подробности изложены в нашей монографии «Фильтрационные расчеты и компьютерное моделирование при защите подтопления в городском строительстве» (Омск, СибАДИ, 2002).
Рис. 1. Схема расположения водопонизительных скважин
Радиус водопонизительной скважины принят Rс = 0,1 м. Шаги пространственной МКР-сетки по оси х (по горизонтали) и оси у (по вертикали) приняты равными, соответственно, ^ = йу = dL = 0,5 м. Это связано с тем, что при задании постоянного напора в скважине на уровне низа водонасыщенного песка Нс = 0 м (относительная отметка) Rc и dL связаны соотношением вида
Rc = 0,2 • dL = 0,2 • 0,5 = 0,1 м. (2)
Шаг времени на модели dt принят максимально возможный с учетом критерия устойчивости счета МКР-модели по явной схеме и вычислен:
dt =
Л^2 0,13 • 0,52
4-k• М
4-2-6
= 0,000677 сут = 58,5 сек ~ 1 мин.
(3)
При размерах участка моделирования в плане 500 х 500 м при пространственном шаге dx = dy = dL = 0,5 м получается плановая модель фильтрации подземных вод к 13 водопонизительным скважинам, работающим в режиме постоянной откачки с фильтрационным напором Нс = 0 м. Количество узлов модели превышает миллион, так как
1001 • 1001 = 1 002 001. Заметим, что известная компьютерная программа геологической службы США ModFlow PMwin, версия 5.3 которой официально сертифицирована для применения в России, способна применять МКР-модели с максимальным количеством узлов не более 250 тыс. Это для целей нашего моделирования водопонижения с количеством узлов более 1 млн непригодно.
Поэтому в плане инновации решено построить МКР-модель водопонижения с оригинальной разработкой на языке программирования Fortran 95 [3]. С целью независимости от иностранных технологий (импортозамещение) использовано свободное программное обеспечение с 64-битной операционной системой Linux. Компилятор фортрана gfortran. Исходный код программы записан в файле Bass13cKB.f95 и скомпилирован в исполняемый файл Bass13cKB командой
gfortran-std=f95 Bass13cKB.f95 Bass13cKB Время водопонижения на модели рассчитано с такими значениями (с учетом организации строительства):
0,1 сут; 1 сут; 5 сут; 10 сут; 15 сут; 30 сут; 45 сут; 60 сут.
Время расчета модели на компьютере с тактовой частотой 2,13 GHz получалось от нескольких секунд до 10 мин. Результаты расчета записаны в выходные текстовые файлы. По ним построены карты напоров подземных вод при работе системы из 13 во-допонизительных скважин, что выборочно показано на рис. 2-4.
1-е сутки
450400350-
300250200150100500-
d 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Не = 13 м, Нскв = 0 м, М = 6 м, Rckb = ОД м K = 2 м/сут, mu = 0,13, t = 1 сут, 500x500 м2, шаг сетки 0,5 м 13 скважин (рис. 1)
Понижение УПВ = 0,139 м (контр. точка 1КТ) Понижение УПВ = 0,012 м (контр. точка 2КТ) Понижение УПВ под левым 5КЖ = 0,157 м Понижение УПВ под правым 5КЖ = 0,670 м
Рис. 2. Прогнозная карта водопонижения на 1-е сутки
5-е сутки
Не = 13 м, Нскв = 0 м, М = 6 м, Rскв = 0,1 м К = 2 м/сут, ти = 0,13, t = 5 сут, 500х500 м2, шаг сетки 0,5 м 13 скважин (рис. 1)
Понижение УПВ = 2,746 м (контр. точка 1КТ) Понижение УПВ = 1,495 м (контр. точка 2КТ) Понижение УПВ под левым 5КЖ = 1,303 м Понижение УПВ под правым 5КЖ = 2,423 м
Рис. 3. Прогнозная карта водопонижения на 5-е сутки
30-е сутки
Не = 13 м, Нскв = 0 м, М = 6 м, Яскв = ОД м К = 2 м/сут, ти = 0,13, t = 30 сут, 500х500 м2, шаг сетки 0,5 м 13 скважин (рис. 1)
Понижение УПВ = 9,056 м (контр. точка 1КТ) Понижение УПВ = 7,366 м (контр. точка 2КТ) Понижение УПВ под левым 5КЖ = 4,439 м Понижение УПВ под правым 5КЖ = 5,934 м
Рис. 4. Прогнозная карта водопонижения на 30-е сутки
Водопритоки в скважины в течение водопонижения сведены в таблицу по временным периодам. С течением времени водопонижения водопритоки в скважины уменьшаются. Понижение уровня подземных вод (УПВ) увеличивается. Разумеется, при условии постоянной откачки воды из скважин, которая должна быть автоматизирована. Уровень воды в скважинах рекомендовано поддерживать постоянным на уровне низа водонасыщенного песка. Фильтры скважин расположить в пределах водонасыщен-ного слоя грунта, то есть скважины должны быть гидродинамически совершенными.
Прогнозные притоки подземных вод в скважины 1-13 (рис. 1), м3/сут
№ скв. В эемя от начала откачки при водопонижении, сут
0,1 1 5 10 15 30 45 60
1 104,0 63,0 41,4 30,7 24,6 16,0 12,4 10,4
2 104,0 62,7 36,8 24,0 17,5 9,6 6,9 5,6
3 104,0 62,7 36,5 23,0 16,1 8,2 5,7 4,5
4 104,0 62,7 36,8 23,9 17,3 9,2 6,5 5,2
5 104,0 63,0 41,3 30,5 24,2 15,0 11,3 9,3
6 104,0 63,0 41,3 30,5 24,1 14,9 11,2 9,2
7 104,0 62,7 36,6 23,3 16,2 8,0 5,4 4,2
8 104,0 62,7 36,1 21,6 14,0 5,9 3,7 2,8
9 104,0 62,7 36,0 21,4 14,0 6,0 3,8 2,9
10 104,0 62,9 38,7 25,6 18,5 9,8 6,8 5,4
11 104,0 62,4 38,1 27,4 21,5 13,2 9,8 8,1
12 104,0 62,4 40,3 30,5 24,8 16,1 12,3 10,2
13 104,0 63,3 46,1 36,4 29,4 18,1 13,2 10,7
Анализируя прогнозные карты водопонижения (рис. 2-4), нетрудно обнаружить: с течением времени работы скважин, из которых непрерывно ведется откачка, воронки кривых депрессий пониженного УПВ начинают сливаться в общую воронку водопонижения. Это особенно заметно на 30-е сут работы водопонизительной системы (рис. 4). То есть подтверждается гипотеза «большого колодца», принятая для системы близко расположенных скважин [4]. Водопритоки скважин (таблица) в начале водонижения практически одинаковые, скважины вначале не влияют друг на друга. Затем, в ходе непрерывной откачки воды, скважины начинают влиять все больше и больше, причем у внутренних скважин типа 8 и 9 (рис. 1) водоприток уменьшается в десятки раз.
Рассмотрим более подробно приемы программирования и алгоритмы, примененные в ходе данной научно-исследовательской работы.
В самом начале кода программы было применено новое замечательное ключевое слово фортрана allocatable [5-7] для объявления массива напоров, а именно:
real, allocatable :: H0(:,:) real, allocatable :: H(:,:) где Н0 - начальные напоры непониженного УПВ; Н - напоры УПВ при водопонижении.
Это позволило записывать программный код компактно, без применения громоздких циклов, как, например, обычно принято в ФОРТРАН 77.
МКР-схема была принята явная, для нестационарной фильтрации подземных вод. В терминах вычислительной математики мы применили явную разностную схему для решения дифференциальных уравнений фильтрации параболического типа, то есть для нестационарного движения подземных вод в плане в рамках гипотезы Буссинеска.
В отличие от традиционного алгоритма вычислительной математики с циклом forend [8, с. 185], для решения упомянутой разностной схемы применен вложенный цикл фортрана do-end. Суть данного приема в том, что параметр времени моделирования
вынесен из тела массива. Этот особый алгоритмический прием позволил избавиться от ограничения памяти персонального компьютера (ПК), т.е. фактически предохраниться от overflow-переполнения оперативной памяти ПК. В результате алгоритм стал быстрым. Тесты показали увеличение скорости расчета модели на три порядка, т.е. примерно в тысячу раз.
Заключение
В представленной работе предпринято исследование по совершенствованию методологии моделирования движения подземных вод. Показано, что с помощью фортрана с учетом особых алгоритмов можно существенно ускорить расчет компьютерных моделей водопонижения при защите от подтопления земель. Это должно повысить надежность проектирования защиты от подтопления в городском строительстве и сельском хозяйстве.
V.I. Sologaev
Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin, Omsk
About the modeling of underflooding and land drainage with the fortran
Considered of the methodology of the modeling of groundwater filtration in soils for protection against flooding in urban construction and agriculture. The aim of the study is the use of a numerical finite difference method for modeling of groundwater flow using algorithms written in fortran programming. Scientific novelty of the article is contained in the special techniques and algorithms contained in the author's design in the programming language fortran. This binding is made of theoretical calculations to the practice of hydrogeological work in conditions of flooded land. The study was conducted with the theoretical calculations on the example of the city of Kaluga, using the author's program on the fortran, specially designed for the topic. We consider the pressure transient filtering groundwater in the sand during pumping of the 13 wells under the scheme unlimited in terms of the aquifer. To model adopted in terms of land size of 500 by 500 meters. Computer model of dewater-ing method uses finite difference explicit scheme. Steps spatial grid pattern in the horizontal and vertical directions are assumed equal. Time Step on the model adopted by the maximum possible, taking into account the scheme account for the apparent stability criterion. Estimated time on a computer model with a frequency of 2.13 GHz, it turned from a few seconds up to 10 minutes. calculation results are recorded in the output text files. According to him the maps of groundwater pressures when the system of 13 wells vodoponizitelnyh. In contrast to the traditional algorithm of computational mathematics with the cycle for-end solutions for the difference scheme applied nested loop Fortran do-end. Tests have shown an increase in the velocity model calculation of three orders of magnitude, that is about a thousand times.
Keywords: filtration, ground water, soil, protection from underflooding, modeling, algorithms, fortran.
Список литературы
1. Прогнозы подтопления и расчет дренажных систем на застраиваемых и застроенных территориях : справ. пособ. к СНиП / ВНИИ ВОДГЕО. -М. : Стройиздат, 1991. - 272 с.
2. Климентов П.П. Динамика подземных вод / П.П. Климентов, В.М. Кононов. - М. : Высшая школа, 1986. - 384 с.
3. Немнюгин С.А. Современный Фортран / С.А. Немнюгин, О.Л. Стесик. - СПб. : БХВ-Пе-тербург, 2004. - 496 с.
4. Развитие исследований по теории фильтрации в СССР / под ред. П.Я. Полубариновой-Кочиной. - М. : Наука, 1969. - 546 с.
5. Фортран 90. Международный стандарт / пер. с англ. - М. : Финансы и статистика, 1998. - 416 с.
References
1. Prognozy podtoplenija i raschjot drenazhnyh sistem na zastraivaemyh i zastroennyh territorijah : sprav. posob. k SNiP / VNII VODGEO. - M. : Strojizdat, 1991. - 272 s.
2. Klimentov P.P. Dinamika podzemnyh vod / P.P. Klimentov, V.M. Kononov. - M. : Vysshaja shkola, 1986. - 384 s.
3. Nemnjugin S.A. Sovremennyj Fortran / S.A. Nemnjugin, O.L. Stesik. - SPb. : BHV-Peterburg, 2004. - 496 s.
4. Razvitie issledovanij po teorii fil'tracii v SSSR / pod red. P.Ja. Polubarinovoj-Kochinoj. - M. : Nauka, 1969. - 546 s.
5. Fortran 90. Mezhdunarodnyj standart / per. s angl. - M. : Finansy i statistika, 1998. - 416 s.
6. Артемов И.Л. FORTRAN: основы программирования / И.Л. Артемов. - М. : Диалог-МИФИ, 2007. - 304 с.
7. Алгазин С.Д. Программирование на Visual Fortran / С.Д. Алгазин, В.В. Кондратьев. - М. : Диалог-МИФИ, 2008. - 472 с.
8. Поршнев С.В. Вычислительная математика / С.В. Поршнев. - СПб. : БХВ-Петербург, 2004. -320 с.
Сологаев Валерий Иванович, д-р техн. наук, проф., Омский ГАУ, [email protected].
6. Artjomov I.L. FORTRAN: osnovy programmirovanija / I.L. Artjomov. - M. : Dialog-MIFI, 2007. - 304 s.
7. Algazin S.D. Programmirovanie na Visual Fortran / S.D. Algazin, V.V. Kondrat'ev. - M. : Dia-log-MIFI, 2008. - 472 c.
8. Porshnev S.V. Vychislitel'naja matematika / S.V. Porshnev. - SPb. : BHV-Peterburg, 2004. -320 s.
Sologaev Valery Ivanovich, Dr. Tech. Sci., Prof., Omsk SAU, [email protected].
УДК 528.44:332.6
А.И. Уваров, Н.А. Пархоменко
Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина, Омск
АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ХАРАКТЕРНЫХ ТОЧЕК ГРАНИЦ ЗЕМЕЛЬНЫХ УЧАСТКОВ КАРТОМЕТРИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Целью исследования является обоснование возможности применения картометрического способа при определении координат характерных точек границ объектов недвижимости при кадастровых и землеустроительных работах для различных категорий земель и разрешенного использования земельных участков. Представлены результаты анализа точности определения координат характерных точек, фиксирующих положение границ земельных участков картометрическим методом. Установлено, что карто-метрический метод нельзя применять для определения координат характерных точек границ объектов недвижимости, отнесенных к землям: населенных пунктов, землям сельскохозяйственного назначения и предоставленных для ведения личного подсобного, дачного хозяйства, огородничества, садоводства, индивидуального гаражного или жилищного строительства. Точность геопространственной информации о характерных точках границ в масштабах кадастровых планов, на которых в настоящее время ведется учет для различных категорий земель и разрешенного использования земельных участков, не соответствует современным требованиям действующих нормативных документов. Даны рекомендации по обоснованию выбора масштабов планово-картографических материалов, с их использованием ведется кадастровый учет земель. Отнесенные к землям промышленности, энергетики, транспорта, связи, радиовещания, телевидения, обеспечения космической деятельности, землям обороны, безопасности и иного специального назначения рекомендуется учитывать с использованием кадастровых планов масштаба 1 : 1000. Для участков, отнесенных к землям сельскохозяйственного назначения и особо охраняемых территорий - с использованием кадастровых планов масштаба 1 : 5000. Для земель фондов лесного, водного, земель запаса - с использованием кадастровых планов масштаба 1 : 10000.
Ключевые слова: учет земель, объект недвижимости, картометрический метод, характерная точка, координаты, точность, средняя квадратическая погрешность, масштаб кадастрового плана.
Введение
Государственный земельный кадастр - это накопление, хранение и использование геопространственной информации об объектах недвижимости, получаемой геодезическими методами для дальнейшего использования при принятии управленческих решений. Для получения новых данных или уточнения сведений об учтенном недвижимом имуществе (земельные участки, здания, сооружения и другие объекты) проводится ка-
© Уваров А.И., Пархоменко Н.А., 2017
