CC BY
52
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 627.1: 532.5
РАСЧЕТ РАСХОДОВ И УРОВНЕЙ МАЛЫХ ВОДОТОКОВ
Н.Л. Великанов1, В.А. Наумов2, С.И. Корягин3
13Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта (БФУ им. Канта),
236041, г. Калининград, ул. А. Невского, 14;
2Калининградский государственный технический университет (КГТУ),
236000, г. Калининград, Советский пр., 1
Обсуждаются программные продукты (гидравлические расчетные комплексы) разных авторов, применяемые для гидравлических расчетов уровня водотоков. Показано, что основными проблемами в работе с гидравлическими расчетными комплексами является необходимость подготовки обширной геодезической информации по сечениям реки, отметкам поверхности ее поймы и всего бассейна. Рассмотрен расчет, выполненный в 2017 году при обработке результатов инженерно-гидрологических изысканий для реки Новой без применения гидравлических расчетных комплексов.
Ключевые слова: малый водоток, гидравлический расчет, расход воды
CALCULATION OF FLOW AND LEVELS OF SMALL WATERCOURSES
N. L. Velikanov, V. A. Naumov, S. I. Koryagin
The Baltic federal university of Immanuil Kant (BFU of Kant), 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14;
Kaliningrad State Technical University (KSTU), 236000, Kaliningrad, Sovetsky Ave.,1
Discusses software products (hydraulic design area) by different authors, with-replaceable for hydraulic calculations of watercourses. It is shown that the main problems in working with design of hydraulic systems is the need to prepare extensive geodetic information section of the river, the surface levels of the floodplain and its entire basin. We consider the calculation performed in 2017 when processing the results of engineering-hydrological survey for Novaja river without the use of hydraulic design systems.
Keywords: small watercourse, hydraulic calculation, water flow rate
^^МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Определение расходов и уровней водотоков с помощью гидравлических расчетов проводится для различных целей: планирования режимов работы водохранилищ, уточнения диспетчерских графиков управления водохранилищами, пропуска паводков, имитации редких гидрологических явлений и экстремальных ситуаций, режимов работы прирусловых гидротехнических сооружений, прогнозирования экстремальных (максимальных и минимальных) уровней. Для гидравлических расчетов уровня водотоков в
России, и за ее пределами широко используются программные продукты (гидравлические расчетные комплексы) разных авторов. Перечислим наиболее известные программные продукты:
MIKE (Датский институт гидравлических исследований);
HEC-RAS (Корпус американских военных инженеров);
SWAT (Департамент сельского хозяйства
США);
1Великанов Николай Леонидович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой машиноведения и технических систем, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: monolit8@yandex.ru;
2Наумов Владимир Аркадьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой водных ресурсов и водопользования, КГТУ, тел. 8 (4012) 99 53 37; e-mail: vladimir.naumov@klgtu.ru;
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор, директор инженерно - технического института, БФУ им. И. Канта, тел. 8 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru
SOBEK (Дельфтская гидравлическая лаборатория, Голландия),
EFDC (Институт морских исследований Вирджинии, США);
BASINS, HSPF, QUAL (Агентство по охране окружающей среды США).
Пользователям зачастую трудно определить, какой из них целесообразно применить в конкретных условиях. Сравнение характеристик перечисленных программных продуктов опубликовано в [1 - 3]. В трех указанных обзорах приведено 182 ссылки на описание особенностей программных продуктов, на исследования с их помощью гидрологических характеристик водотоков и качества воды в них.
Следует согласиться с мнением [4], что принципиальных отличий в математических методиках и в методике расчетов эти программы не имеют. Для установившегося движения водотока используется формула Шези, а для расчета неустановившегося движения уравнения Сен-Венана. Решение находится одним из численных методов, в большинстве программ - на основе конечно-разностных схем. Различия программных продуктов заключаются в основном в методах учета гидрологических параметров водотоков, формах ввода морфометрической информации, описания гидротехнических сооружений, вывода и визуализации результатов расчетов.
Существуют и российские программные продукты такого рода. Например, WPI-RQC (Water Problem Institute - River Quality Control), разработанная в Институте водных проблем ИВП РАН [5, 6], «Волна» научно-производственного предприятия ООО «Титан-Оптима» [7]. Однако они имеют узкую (специальную) направленность. С помощью [5] можно рассчитать перенос и трансформацию загрязнений от точечных и диффузных источников в разветвленной речной системе. Программа «Волна» [7] позволяет рассчитывать параметры волны прорыва и затопления местности, возникающей при авариях на гидросооружениях: максимальные глубина затопления, ширину затопления и скорость течения, время прихода фронта, гребня и хвоста волны прорыва, максимальный расход воды в створе, высоту волны.
Линейки программных продуктов, как правило, имеют не только версию для гидравлического расчета в одномерном приближении (например, MIKE-11), но и для решения задачи речной гидравлики 2D и 3D (MIKE-21, MIKE-31). Для решения гидравлических задач малых рек и ручьев, как правило, достаточно одномерных математических моделей. Поэтому в данной статье остановимся на программных продуктах, разработанных на базе одномерных уравнений
Сен-Венана. Одномерность означает, что гидравлические характеристики потока осреднены по поперечному сечению.
Разработана и широко используется одномерная математическая модель динамики течения в системе водотоков, как без боковой при-точности, так при ее наличии, на основании уравнения Сен-Венана [8 - 10]: да Э <2
- +
Э t Э X
Э Q , Э
+ -
Э t Э X
= q
Q2 А
w
+ g w-
fЭZ Q2А + ^
Э X
= 0
у
, (1)
где
ка, м
м2/с;
м;
t - время, с;
X - расстояние вдоль оси водотока, м;
<(Х, ^ - расход воды, м3/с;
ю(Х^) - площадь живого сечения водото-
q(X,t) - интенсивность бокового притока,
- уровень свободной поверхности,
g - ускорение свободного падения м/с2;
К - расходная характеристика русла, м3/с.
Начальные и граничные условия к системе уравнений (1):
X ,0) = /(X ), а( X ,0) = /2( X); 2(0, t) = ), а(0, t) = ^). (2)
Для решения краевой задачи (1 - 2) с помощью одного из программных продуктов необходимо подготовить и ввести обширную геодезическую информацию по сечениям реки, отметкам поверхности ее поймы и всего бассейна. Эта работа не представляет особой сложности лишь при наличии функционирования ГИС бассейна реки. В противном случае пользователю придется решать сложную проблему. Так в [10] данные о поперечной структуре сечений русла среднего течения Северной Сосьвы были подготовлены на основе данных о глубинах с лоцманских карт с помощью 1Т-технологии. При этом абсолютные ошибки оказались велики из-за низкого качества исходных данных, получаемых с лоцманских карт для построения расчетной сетки модели. Вывод [10]: для создания адекватной информационно-моделирующей системы прогноза гидрологических ЧС с использованием ресурса программного пакета М1КЕ-11, необходимо организовать полевые съемки высокого пространственного разрешения высотных отметок русла и поймы реки.
В [11] было предложено корректировать геометрические и гидравлические характеристики речного русла путем решения обратных задач (1 - 2). В дальнейшем этот процесс был назван
Н.Л. Великанов, В.А. Наумов, С.И. Корягин
калибровкой базовой геометрической информацией цифровой гидравлической модели [12]. Этот процесс калибровки, включает этапы гидравлического расчета, сравнения полученных после расчета уровней с фактическими данными на постах наблюдений и оценку различий между ними, устранения этих различий путем изменения параметров сечений (ширины русла и пойм, глубины, шероховатости, расстояний). Критерием калибровки является максимальное приближение полученных по расчетам уровней и объемов водохранилищ к фактическим уровням реки на створах - постах наблюдений в соответствующих гидрологических условиях. Очевидно, что такой метод корректировки данных пригоден лишь для тех водотоках, на которых проводятся систематические гидрометрические наблюдения. Тогда как на малых водотоков стационарных постов наблюдений очень мало. В частности, на реке Новой в калининградской области систематических гидрометрических наблюдений не проводилось.
Рассмотрим расчет, выполненный в 2017 году при обработке результатов инженерно-гидрологических изысканий. Река Новая является левым притоком реки Преголи. Длина водотока Ь =10,1 км; средний уклон I = 2,2 %о; площадь водосбора А = 13,2 км 2; в том числе леса составляют Ал = 12,7%; болота Аб = 4,5 %. На рис. 1 показана приустьевая часть бассейна реки Новой. При проведении инженерных изысканий были выполнены промеры сечений водотока в 9 створах, расположенных примерно через 1 км. Довольно большое расстояние между створами было обусловлено плавностью изменений русла по длине водотока, что иллюстрируется отметками дна на рис. 2 и 3.
Рисунок 1 - Часть бассейна реки Новой с промерными створами
Рисунок 2 - Поперечное сечение реки Новой в створе № 1: 1 - отметки дна, 2 - максимальный расчетный уровень Р = 10 %
Я ы
0.8
0.6 0.4 0.2
О
3
2/
V
\/
-1
о
1
4
6 У.1
Рисунок 3 - Поперечное сечение реки Новой в створе № 2: 1 - отметки дна, 2 - максимальный расчетный уровень Р = 10 %; 3 - Р = 5 %
Следующим этапом была определена интенсивность боковой приточности реки Новой во время весеннего половодья с использованием формулы редукционной [13]:
0>%(Х) =
Ко • Нр -8г • А(X)
, (3)
(А(X)+А Г
где Qp% - максимальный расход воды весеннего половодья, заданной ежегодной вероятности превышения на расстоянии X от истока, м3/с;
пг - показатель степени редукции, для всей территории Калининградской области принят пг = 0,18;
Ко - параметр, характеризующий дружность половодья;
Нр - слой суммарного стока половодья той же обеспеченности (Р%), что и искомый максимальный расход воды;
ц - коэффициент, учитывающий неравенство статистических параметров слоя стока и максимальных расходов воды;
¿1 , ¿2 - коэффициенты, учитывающие снижение максимального расхода воды соответственно лесами и болотами;
¿ - коэффициент, учитывающий влияние на сток озер, водохранилищ;
А - площадь части водосбора на расстоянии X от истока, км2;
А\ - дополнительная площадь, учитывающая снижение интенсивности редукции модуля максимального стока с уменьшением площади водосбора, км2.
Коэффициент определялся по формуле
[13]:
= «1 /(Ал + 1)а22, (4)
где « - параметр, учитывающий расположение леса на водосборе;
Ал - залесённость водосбора в процентах.
Коэффициент ¿2 определяется по формуле [13]:
¿2 = 1 - (0,1 Аб + 1), (5)
где в - коэффициент, учитывающий тип болот и состав грунтов, для рассматриваемых водосборов и равен 0,8;
Аб - заболоченность водосбора в процентах.
Интенсивность боковой приточности может быть найдена для заданной обеспеченности по формуле:
9р*( X) = (6)
а X
На рис. 4 представлены результаты расчета уровня воды в реке Новой во время весеннего половодья при различных значениях обеспеченности. Видно, что при Р =10 % затопления нет; при Р = 5 % затопление произойдет около отметки 10 км (недалеко от створа № 1), а при Р = 1 % - после отметки 6 км.
23456789 10 X, км
Рисунок 4 - Максимальные расчетные уровни весеннего половодья вдоль реки Новой: 1 - уровень затопления, 2 - расчетный уровень, Р = 10 %; 3 - Р = 5 %; 4 - Р = 10 %
Литература
1. Wang Q, Li S., Jia P., Qi C., Ding F. A review of surface water quality models // The Scientific World Journal. - 2013. Article ID 231768. - 7 p. [Electronic resource]. -URL: https://www.hindawi.com/ jour-
nals/tswj/2013/231768/ (date of access29.10.2017).
2. Gao L., Li D. A review of hydrological/water-quality models // Agricultural Science. Engineering. - 2014. - V. 1, No 4. - P. 267-276.
3. Sumita N., Kaur B.S. Water quality models: a review // International Journal of Research - Granthaalayah. -2017. - V. 5(1). - P. 395-398.
4. Никифоров Д. А. Методика калибровки гидравлических моделей рек и водохранилищ // Известия Самарского научного центра РАН. - 2015. - Т. 17, № 6. - С. 128-134.
5. Готовцев А.В. WPI RQC (Water Problem Institute -River Quality Control). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2016610993 от 25.01.2016.
6. Готовцев А.В., Ларина Е.Г. Оценка точечных и диффузных источников загрязняющих веществ в бассейне реки Москвы // Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения. - Новочеркасск: Изд-во «Лик», 2017. - С. 318-324.
7. Чурбанов О.И., Домрачев К.В., Клочков П.В. Программа прогнозирования возможного катастрофического затопления местности и параметров волны прорыва при разрушении гидроузлов «Волна». Свидетельство о регистрации электронного ресурса № 18828 от 09.01.2013 [Электронный ресурс]. - URL: http://www.titan-optima.ru/programm/volna/ (дата обращения 29.10.2017).
8. Kamel A. H. Application of a hydrodynamic MIKE-11 model for the Euphrates River in Iraq // Slovak Journal of Civil Engineering. - 2008. - No 2. - P. 1-7.
9. Javadian M., Kaveh R., Mahmoodinasab F. A study on experimental model of dam break problem and comparison experimental results with analytical solution of Saint-Venant equations // International Journal of Advanced Biotechnology and Research. - 2016. - V. 7, No 5. - P. 1239-1245.
10. Будяну А.Т., Викторов Е.В., Пушистов П.Ю. Результаты применения информационно-вычислительной системы MIKE-11 для моделирования переменных гидродинамики среднего течения реки Северная Сосьва // Известия Алтайского государственного университета. 2013. - T. 1(77). - C. 133137.
11. Корень В.И., Кучмент Л. С. Определение геометрических и гидравлических характеристик речного русла путем решения обратных задач для уравнений Сен-Венана // Водные ресурсы, 1973. - № 4. - С. 83100.
12. Левит-Гуревич Л.К., Никифоров Д.А. Анализ процесса идентификации параметров морфометрии рек и водохранилищ в компьютерных моделях гидравлических расчетов (результативность и однозначность калибровки) // Известия Самарского научного Центра РАН, 2015. - Т. 17, № 6. - С. 116-122.
13. Свод правил СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Одобрен для применения в качестве нормативного документа постановлением Госстроя России № 218 от 26 декабря 2003 г.
