CC BY
23
7/)п11 ВЕСТНИК
_7/20 и_мгсу
СИСТЕМНО-ДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НА р.Туул
(Монголия)
SIMULATION OF SYSTEM DYNAMICS IN THE RIVER Tuul
(Mongolia)
И.Г. Кантаржи, Ядмаа Туул I.G.,Kantarjy. Yadmaa Tuul
ФГБОУ ВПО МГСУ, МГУНиТ
В статье представлены результаты системно-динамического моделирования на реке Туул. (Монголия)
In the present paper is given the results simulation of system dynamics in the river Tuul (Mongolia)
При проектировании аккумулирующего водохранилища на реке Туул необходимо надо устанавливать боковой приток на участках гидроузла. Определение боковой приточности осуществляется в данной работе по методу водного баланса. Сущность применения этого метода заключается в сопоставлении за определенный промежуток времени (год) в проектируемом гидроузле прихода и расхода воды в реке и изменение ее запасов.
Для проектирования паводкового аккумулирования и обеспечения необходимой информацией надо разработать динамической моделью водного баланса реки Туул. Для разработки модели используется метод системно-динамического моделирования.
1. Метод системно-динамического моделирования
Для динамического моделирования характерно исследование изменения динамических систем со времени. Данный метод широко применяется при изучении сложных систем, что послужило причиной включения моделей системной динамики в состав исполнительных средств имитационного моделирования сложных систем.
Моделирование начинается с определения динамических проблем, требующих изучения. В качестве заключения этой части моделирования строится график ожидаемого поведения системы. Обычно задача приводится к одному или нескольким типам поведения. А дальше определяются ключевые переменные системы и причинно-следственные связи между ними.
В данном случае представляется разработанная модель водохозяйственного баланса реки Туул. При составлении модели водных балансов разделено русло реки в данном участке на 18 частей, характеризующихся близкими гидротопографическими условиями, с учетом их хозяйственной значимости. 2. Модель проточного участка р.Туул
Для моделирования водохозяйственного баланса в целях изучения конструкции противопаводковых сооружений необходимы четыре стадии: -расчет составляющих водного баланса участка -расчет среднего расхода воды на участке -расчет средней глубины воды
-расчет средней скорости потока (по формуле Дарси-Вейсбаха)
Приходной частью водного баланса для модели участка будут поступление воды через верхний створ участка Qв , и от притоков Quv впадающих в реку на участке, поверхностный сток с водосбора Qecт , поступление воды от осадков Qoc. В расходную часть водного баланса входят следующие: воды, забираемые из реки выше створа на орошение и водоснабжение Qзaб, перебрасываемые в другие бассейны Qпpб, потери воды на испарение QИC , расходы пропусков ниже расчетного участка Qпoп. Таким образом уравнение водного баланса в данном участке можно выразить следующим:
Qв Qпp С?ест Qoc ~ Qзaб Qupб Quou
>
о.Бэлх
14
12
о к
0. Тахилт 3 л и а г X К § р к
и
п.Гачурт
.Сонгино
Река Туул
Рис 1. Балансовая схема реки Туул.
В данной работе необходимая глубина противопаводкового защитного сооружения вычисляется по уравнению равномерного движения в открытом русле при ширине русла реки Ь>(20^25)^ , когда можно принять гидравлический радиус равным глубине воды Я = Н.
Глубина воды на участке определялась по расходу следущим образом:
Н
(ьл/!^
, м
где: Q- средний расход воды на участке , м3/с
Q = Qв + Qe-Qn- Сзаб, М3/с Qв - средний расход воды во входном створе за расчетный интервал времени Qe - естественный поверхностный сток и определяется по формуле
Qe = м3/с
х - средняя интенсивность осадков по бассейну за принятые интервалы времени, мм,
р - суммарный расход воды на поверхностное задержание, инфильтрацию и испарение за те же интервалы времени, мм
Ну - слой стока, мм
и
х — р = — = пу
ы0 У
7/)п11 ВЕСТНИК _^/2отт_мгсу
ку — г\х, мм
^-коэффициент стока определяемый отношением средней высоты слоя куср к высоте слоя осадков выпавших на площадь водосбора хср за рассматриваемый период времени,
Qn- потери воды на испарение с поверхности участка, Qn = Яд^/1000Д£, м3/с
Ед - слой испарения, мм
I- 3
^ - средняя площадь участка, м At - расчетный интервал времени,
Сзаб - расход воды забираемый на орошение и водоснабжение, м3/с п - коэффициент шероховатости,
I - средний уклон дна выражается отношением разности отметок в начале и в конце заданного участка к2 к расстоянию Ь между началом и концом участка
I = №1 -
В данной работе среднюю скорость потока определялась по формуле Дарси-Вейсбаха.
д = ^ • Д5, м/с
где: д- ускорение свободного падения, м/с2
/- коэффициент сопротивления Дарси-Вейсбаха Д- гидравлический радиус, м 5- средний уклон
Коэффициент сопротивления Дарси-Вейсбаха определился по следующей формуле:
1.325
5 74 1о9е\^гп+ '
где: к- высота шероховатости, мм й - диаметр, м Яе - число Рейнольдса Поскольку режим движения турбулентный, то за ранее мы можем предполагать, что зона квадратичного сопротивления т.е в этой зоне коэффициент Дарси зависит только от относительной шероховатости, а не от числа Рейнольдса. Граница числа Рейнольдса найдена по следующей зависимости:
й
Ие > 500-
СКВ л
где: й- диаметр, м
- высота шероховатости, мм Модель участка включает 23 переменных. Границы участков определялись таким образом, чтобы гидрометеорологические характеристики определяющие водный баланс, в пределах участка можно было принять однородными. Водный баланс учитывает:
- поверхностный сток, задаваемый интенсивностью осадков, коэффициентом стока с водосбора и площадью водосбора;
- осадки, задаваемые интенсивностью осадков и площадью водной поверхности;
- испарение, задаваемое интенсивностью испарения и площадью водной поверхности;
- потребление воды;
- расход с верхового участка.
Видами водопотребления являются мелиорация, водоснабжение и водопой. Для моделирования использовались данные за 1996 г (реальный год), по которым имеются подробные данные.
Модель проточного участка реки Туул включает 23 переменных. Общая схема причинно следственных связей модели показана на рис.2. Учитывается изменение среднего расхода участка, динамика, которого определяется , как естественным приходом и потерями воды в участок, так и водопотреблением и испарением воды в данном участке.
Определение переменной может начинаться с любого момента времени внутри периода моделирования, для различных динамических переменных можно использовать различные начальные моменты времени, как и временные шаги изменения значений переменных.
3. Модель участка водохранилища
Модель водохранилища включает 16 переменных. Общая схема причинно следственных связей модели показана на рис.3. Модель водохранилища учитывает те же
Уклон
Шероховатость
ivicji.hu рация ,, г
* Водоснабжение
Рис.2. Общая схема балансовой модели проточного участка реки Туул
Мелиорация
статьи водного баланса, что и модель проточного участка. Учитывается изменение полного объема воды в водохранилище, динамика которого определяется , как естественным приходом и потерями воды в водохранилище, так и водопотреблением и изменением интенсивности сброса воды в нижний бьеф.
Модели всех 18 участков работают одновременно, каждая из них представляет собой уровень модели, обменивающийся информацией с другими уровнями. Модель дает возможность решать различные задачи расчета многоцелевых управлений водного хозяйства, построенные на принципе комплексного использования водных ресурсов.
Поверхностный сток с водосброса Глубина
Площадь поверхности
Интенсивность
Управления сбросом
Расчетный расход сброса
Рис.3. Общая схема балансовой модели водохранилища
4. Результаты моделирования и основные выводы
В результате моделирования получены величины глубин, средних скоростей и расходов на каждом участке проточного участка реки Туул в течение года. Эти результаты моделирования проточного участка реки Туул позволяют проанализировать отметки глубин и скорости потока воды одновременно во всех участках и при этом срезать пиковую глубину, чтоб не затопился город.
В данном случае показаны графики изменения расходов, глубин и средних скоростей для характерных участков 1, 2, 3 и 11 проточного участка реки Туул.
ВЕСТНИК 7/2011
|Non-commercial use only!|
Рис.4. График изменения глубин на участках 1, 2, 3 и 11 в течение года.
Time
тЛ3/в
60- -
— расход_ _1
- расход_ _11
расход_ 2
— расход_ _3
-t-1 I I I i I I I-1
ян в фев мар апр май июн июл авг сен окт ноя дек -Non -commercial use on ТУП
Рис.5. График изменения расходов на участках 1, 2, 3 и 11 в течение года.
Результаты разработки системно-динамического моделирования водного баланса позволяет утверждать, что она удовлетворительно описывает водный баланс речной системы реки Туул, в том числе на проточных участках и водохранилище.
С июня по август на всех участках наблюдаются резкое возрастание глубин и средних скоростей. Это объясняется летным высоким половодьем реки Туул так, как дождь является основным питанием самой реки.
ев мар апр май июн июл авг сен опт ноя дек
Non-commercial use only!
Рис.6. График изменения средних скоростей на участках 1, 2, 3 и 11 в течение года.
По результатам моделирования видно, что на участках 2 и 11 с июня по август глубина воды резко увеличивается и при этом средняя скорость потока достигает больше 0.8 м/с.
В период с ноября по апрель почти на всех участках глубины низкие и средняя скорость значительна мала. Это объясняется резким колебанием температуры воздуха Монголии, которое достигает ±40° С.
Литература
1. Жамбалдорж.Б, «Гидравлические расчеты-1», 2004г
2., Киселев.П.Г, «Гидравлика», 1963г
3. Соколовский.Д.Л, «Речной сток», 1952г
4. Программа Powersim
Literature
1. Jambaldorj.B, «Gidravlicheskie raschety-1», 2004g 2., Kiselev.P.G, «Gidravlika», 1963g
3. Sokolovskii.D.L, «Rechnoi stok», 1952g
4. Programma Powersim
Ключевые слова: расход, глубина, средняя скорость, водохранилище, , объем воды Keywords: flow, depth, average speed, reservoir, water volume
tuuliargal@yahoo.com
Статья представлена Редакционным советом «Вестника МГСУ»
