CC BY
10
УДК 004.942:556.536
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ И ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПЕРЕФОРМИРОВАНИЯ ЛОЖА КРУПНОГО ДОЛИННОГО ВОДОХРАНИЛИЩА В ЗОНЕ ПЕРЕМЕННОГО ПОДПОРА
Александр Тимофеевич Зиновьев
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, доктор технических наук, зав. лабораторией гидрологии и геоинформатики, тел. (906)940-94-77, e-mail: [email protected]
Константин Борисович Кошелев
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (905)981-28-83, e-mail: [email protected]
Константин Валерьевич Марусин
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (913)275-56-39, e-mail: [email protected]
Рассматривается математическая модель русловых процессов в крупном долинном водохранилище для изучения процессов переформирования его ложа в различных условиях. Для описания процессов переноса и осаждения наносов предложена комбинированная модель на основе гидродинамической 3D-модели совместно с 2DH-моделями переноса взвешенных веществ и транспорта донных наносов. Для условий Камского водохранилища построена компьютерная модель русловых процессов, выполнены вариантные расчеты и приводятся их результаты, позволяющие оценивать и прогнозировать переформирования ложа водоема на участке переменного подпора.
Ключевые слова: русловые процессы, компьютерное моделирование, ГИС-технологии, Камское водохранилище, переменный подпор.
USE OF COMPUTER SIMULATION AND GIS-TECHNOLOGIES TO ASSESS THE REFORMATION OF THE BED OF A LARGE LOWLAND RESERVOIR IN ZONE OF VARIABLE BACKWATER
Alexander T. Zinoviev
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, D. Sc., Head of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (906)940-94-77, e-mail: [email protected]
Konstantin B. Koshelev
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, Ph. D., Senior Researcher of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (905)981-28-83, e-mail: [email protected]
Konstantin V. Marusin
Institute for Water and Environmental Problems SB RAS, 1, Molodezhnaya St., Barnaul, 656038, Russia, Researcher of Laboratory of Hydrology and Geoinformatics, phone: (913)275-56-39, e-mail: [email protected]
A mathematical model of evolution of river bed in a large valley reservoir is considered to study the transformation of its floor under different conditions. A combined model based on 3D hy-drodynamic model together with 2DH models of suspended matter and bottom sediments transport is proposed to describe the processes of sediment transport and deposition. For the conditions of the Kama reservoir, a computer model of evolution of river bed is constructed, variant calculations are performed and their results are presented, which allow to estimate and predict the transformation of the reservoir floor on the site of the variable backwater.
Key words: evolution of river bed, computer modeling, GIS-technologies, Kama reservoir, variable backwater.
Введение
Зона переменного подпора - эта такая область акватории водохранилища, где в ходе годового эксплуатационного цикла водоема (сезонного регулирования его уровня) гидрологические условия меняются с речных на озерные и обратно. Для крупных водохранилищ долинного типа протяженность такой зоны достигает несколько десятков километров.
Изучение процессов переформирования ложа водоема в зоне переменного подпора и разработка методов их прогнозирования имеет не только научное, но и практическое значение в том случае, если на данном участке осуществляется активное судоходство.
Цель данной работы - математическое моделирование процессов транспорта русловых наносов и переформирований рельефа дна в зоне переменного подпора крупного водохранилища в нестационарных условиях активной фазы гидрологического цикла: от момента вскрытия водоема ото льда до наступления осенней межени. Предложенная методика апробирована для условий Камского водохранилища.
Объект исследования
Камское водохранилище было образовано в 1954 г. на реке Каме в результате строительства Камской ГЭС в г. Перми. Его протяженность по долине реки составляет 300 км, а площадь акватории при НПУ - 1915 км [1].
Зона переменного подпора водохранилища простирается вверх по затопленной долине Камы на 89 км (от п. Усть-Пожва до п. Керчевский). Внутри этой зоны выделяются три характерных участка. Нижний участок (Усть-Пожва - Березники), где практически в течение всего года наблюдаются озерные условия. Верхний участок (Тюлькино - Керчевский) - с преобладанием речных условий. Средний участок (Березники - Тюлькино) - со смешанными условиями [1, 2]. Именно это участок, протяженностью 59 км, и был выбран для изучения с использованием моделирования (рис. 1).
Следует отметить, что на выбранном участке акватории осуществляется весьма интенсивное грузовое судоходство, а Березники и Соликамск являются крупными речными портами.
Рис. 1. Визуальное представление рельефа котловины Камского водохранилища в области моделирования
Методы и исходные данные
Для описания процессов транспорта русловых наносов и переформирований рельефа дна Камского водохранилища использована комплексная математическая модель на основе нестационарных трехмерных (ЭБ) гидродинамических уравнений совместно с плановой (2ВИ) моделью транспорта русловых наносов. Выбор данной модели был обусловлен сложностью рельефа котловины водохранилища на рассматриваемом участке (наличием большого числа островов, отмелей и заливов).
Гидродинамическая ЭБ-модель базируется на уравнениях Навье-Стокса, полученных в предположении гидростатического приближения. Коэффициенты турбулентного обмена рассчитываются по двухпараметрической (к-е)--модели турбулентности [Э]. Для расчета расхода русловых наносов используются формулы Ван-Рейна [4].
Граничные условия во входном створе модельной области определяются исходя из заданного значения расхода воды. В выходном сечении задается отметка уровня воды.
Начальные условия формируются путем решения квазистационарной задачи с граничными условиями, соответствующими начальному моменту времени.
Основным источником данных о рельефе рассматриваемой области явились результаты русловых съемок, выполненных в июне - августе 2016 г. промерными партиями Верхнее-Камского района водных путей и судоходства (Верхнее-Камский РВПиС). Точность значений глубин - сантиметровая. Пространственная плотность отметок глубин - 6-8 отметок на гектар. Пространственное позиционирование осуществлялось средствами спутниковой навигации (GPS).
Дополнительно при построении цифровой модели рельефа (ЦМР) был принят ряд допущений, призванных восполнить недостаток необходимой информации. Например, высота берега принималась 2,5 м над урезом НПУ. Глубины участков акватории (заливов, проток и рукавов), для которых промерные данные отсутствуют, принимались равными 1 м в условиях НПУ. Кроме того, пространственное положение береговой линии, на неохваченных съемкой участках строилось по топографическим картам М 1:100000.
Все имеющиеся данные о глубинах приводились к единой стандартной системе координат и единому положению водной поверхности.
Затем на основе имеющихся данных и принятых допущений средствами геоинформационной системы ArcGis 9.3 была построена трехмерная нерегулярная модель (TIN-модель) рельефа котловины водохранилища на выбранном участке.
На заключительном этапе построенная TIN-модель рельефа дна водоема конвертировалась в иное представление, пригодное для использования в программной среде для гидравлического моделирования, а именно, в набор точечных отметок абсолютных высот (м БС), расположенных в узлах регулярной сетки с шагом 10 м.
В качестве типичных гидрологических условий были взяты осредненный гидрограф по г\п Тюлькино и осредненный ход уровня по г\п Березники (рис. 2).
Максимальный расход воды в принятом модельном гидрографе составляет 3990 м3/с (18 мая). Максимальная отметка уровня на нижней границе участка (г\п Березники) - 108,97 м БС (23 - 24 мая).
Для моделирования транспорта наносов и вертикальных русловых деформаций необходимо знать: а) характеристики крупности наносов, слагающих дно; б) их исходный запас (толщину донного слоя); в) значение расхода русловых наносов на входе в расчетную область в течение всего модельного периода.
Информация о крупности русловых наносов была получена в ходе специальных полевых изысканий, проведенных в июле 2017 г. По результатам отбора проб русловых наносов в семи створах, распределенных по всей длине рассматриваемого участка, установлено, что их медианная крупность (D50) составляет 0,32 мм, а крупность 10%-обеспеченности (D90) - 0,39 мм. Следует отметить, что такие характеристики крупности русловых наносов являются достаточно типичными для крупных равнинных рек [6].
а)
б)
даты
Рис. 2. Модельные гидрологические граничные условия:
а) осредненный гидрограф по г\п Тюлькино, б) осредненный ход уровня воды по г\п Березники. Период с 01 апреля по 01 сентября [5]
Поскольку точно измерить расход русловых наносов в натурных условиях практически невозможно, предполагается, что входной поток наносов является насыщенным [4]. То есть значение расхода наносов равно теоретической емкости потока, и, он транспортирует наносы с теми же параметрами крупности.
Поскольку получение натурных данных о толщине донного слоя русловых наносов на участке требует весьма значительных затрат ресурсов и времени, было решено в модельных расчетах рассмотреть две ситуации: малый запас донных наносов - исходная толщина слоя донных наносов 0,5 м, и, значительный запас - толщина слоя 5 м.
Моделирование выполнялось с применением специальной версии пакета с открытым исходным кодом Delft3D, реализующей комплексную компьютерную модель течения и транспорта русловых наносов. Расчеты выполнялись на регулярной пространственной сетке 2026 х 82 х 4.
Обсуждение
Как сказано выше, численные расчеты выполнены для сценарного (модельного) года со средними расходами за период с 15 апреля по 01 сентября (см. рис. 2). Начальные условия формировались путем решения квазистационарной задачи.
Обсуждая полученные результаты моделирования, рассмотрим вначале динамику профиля водной поверхности по линии, проложенной вдоль всего рассматриваемого участка примерно по тальвегу затопленного русла Камы. Продольные профили водной поверхности по указанной линии в различные моменты модельного периода приведены на рис. 3.
111.5 -| 111 -
О Ш 2
.0 Ч п 109 -к X ю ! 108.5 - (С к Ф 108 -2 май.01 май.20 июн.15 июл.15 авг.15 сен.01
О 107.5 -
106 - с
0 г а 6 8 0 Г 0 6 8 1 0 ^ с ^ С Г 0 ^ с 6 ^ с эасс 8 ^ о тоян 0 Т о ие, 0 с км Г 0 0 О 6 Т 0 8 0 ^ 0 г ^ г ^ Г 0 г ^ 6 г ^ 8 Г ц 0 5 5 г с 5 6 5 8 5
Рис. 3. Продольные профили водной поверхности в различные моменты модельного периода
В условиях нарастания половодья уровень воды на протяжении большей части участка (до района Новинки) ведет себя вполне по «речному», т.е. меняется круто и в целом линейно (рис. 3). Уклон водной поверхности составляет здесь около 4,4 см/км. Влияние подпора начинает сказываться лишь на последних 15-ти км и выражается в снижении уклона до величины 1,7 см/км. Но уже к 15 июня, по мере спада половодья и наполнения водохранилища, подпор распространяется практически на весь рассматриваемый участок, весьма малый
уклон водной поверхности (0,8 см/км) наблюдается лишь в верхней его части (Тюлькино - Тетерино).
Вполне согласованно с динамикой уровня воды ведет себя и скорость течения. В период половодья осредненная по глубине скорость течения на большей части участка составляет около 1 м/с, в нижней его части величина скорости снижается до 0,6 - 0,8 м/с. По мере распространения подпора, скорости резко падают, и к концу периода моделирования имеют значения всего 0,1 - 0,3 м/с.
На рис. 4 приведены итоговые изменения отметок дна по состоянию на 15 июне, т.е. после прохождения половодья.
Рис. 4. Итоговое изменение отметок дна (размыв\намыв) на участке моделирования по состоянию на 15 июня. Исходная толщина слоя донных наносов - 0,5 м
Из него видно, что в нижней части участка, как раз там, где проявляется влияние подпора в период половодья (см. рис. 3) изменения донного рельефа весьма малы. На остальной части рассматриваемой области наблюдается повсеместный размыв плесовых ложбин (относительно глубоких участков) и рост отметок дна в более мелководных зонах (на перекатах). Причем, в ходе размыва в некоторых местах был выбран весь запас донных наносов, т.е. величина размыва достигла 0,5 м. Наиболее значительная аккумуляция наносов наблюдается в районе Боровской Затон - Григорово. Здесь сформировалась четко выраженная подводная гряда, перегораживающая затопленное русло Камы под острым углом.
Из теории руслового процесса известно, что в период половодья гребни подводных гряд намываются, а глубины в плёсовых ложбинах промываются увеличиваются, в условиях межени происходит обратный процесс [6]. Представленные выше результаты моделирования изменений рельефа дна на момент окончания половодья этой закономерности вполне соответствуют.
Однако, далее, как показали результаты расчетов, никаких существенных изменений рельефа дна не происходит. Финальная картина, по состоянию на 01 сентября, практически ничем не отличается от ситуации, представленной на рис. 4. То есть со спадом половодья намыв подводных гряд завершился, однако, последующего размыва перекатов, согласно процитированной выше закономерности, не произошло, что очевидно, объясняется влиянием подпора.
Следует также отметить, что увеличение исходной толщины слоя наносов на дне до 5 м принципиально не меняет полученной картины русловых деформаций.
Заключение
Предложена комплексная математическая модель русловых процессов в крупном долинном водохранилище для изучения процессов переформирования его ложа на участке переменного подпора.
Модель апробирована на примере Камского водохранилища. С использованием натурных гидрологических данных и цифровой модели рельефа ложа водохранилища построена нестационарная компьютерная модель течения и транспорта русловых наносов в зоне его переменного подпора и выполнены вариантные расчеты. Дана прогнозная картина изменения отметок дна (раз-мыв\намыв) на исследуемом участке на конец расчетного периода - 01 сентября для разных гидрологических сценариев и выполнен анализ факторов, ее определяющих.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 16-45-590546).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Двинских С.А., Китаев А.Б. Гидрология Камских водохранилищ: монография. -Перм. гос. ун-т. - Пермь, 2008. - 266 с.
2. Шайдулина А.А., Двинских С.А. Режим скоростей течения в районе переменного подпора Камского водохранилища // Географический вестник - 2017, № 3 (42). - C. 61-70.
3. Зиновьев А.Т., Кошелев К.Б., Марусин К.В., Шайдулина А.А. Математическое моделирование русловых процессов на участке крупного долинного водохранилища в условиях переменного подпора // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов: тр. VI Меж-дунар. науч.-практ. конф. (г.Пермь, 29 мая-1 июня 2017 г.): в 3 т. Т.1: Гидро- и геодинамические процессы. Управление водными ресурсами. - ПГНИУ - Пермь, 2017. - 249 с. - С.69-73.
4. van Rijn Leo.C. Principles of Sediment Transport in Rivers, Estuaries and Coastal Seas. -Amsterdam : Aqua Publications, 1993. - 690 c.
5. http://gis.vodinfo.ru. ГИС-портал Центра регистра и кадастра. Информационная система по водным ресурсам и водному хозяйству бассейнов рек России.
6. Гришанин К.В. Основы динамики русловых потоков: Учебник для институтов водн. трансп. - М. Транспорт, 1990. - 320 с.
© А. Т. Зиновьев, К. Б. Кошелев, К. В. Марусин, 2018
