CC BY
39
-\-
УДК 556.536:631.4
А.В. Магомедова, М.Р. Гусейнова, Н.В. Насибова
РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАСЧЕТА ТРАНСПОРТА РУСЛОФОРМИРУЮЩИХ НАНОСОВ В РЕЧНЫХ РУСЛАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
На базе ГИС-интерфейса и алгоритмического языка Compaq Visual Fortran разработан программный комплекс для компьютерного моделирования гидравлических процессов и транспорта руслоформирующих наносов в речных руслах сложной конфигурации. В нем реализована математическая модель транспорта наносов, основанная на стохастической концепции процесса взаимодействия турбулентного потока и твердых частиц, с использованием методов теории выбросов случайных функций. Программный комплекс обеспечивает расчет и визуализацию изменения транспортирующей способности потока по длине и ширине реки в различных створах и может быть использован при компьютерном моделировании русловых деформаций вследствие паводков и под воздействием речных гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: ГИС, программный комплекс, транспорт наносов, русловой поток
Ключевой проблемой при разработке методов расчета и прогноза переформирования речных русел в результате паводков и под влиянием гидротехнических сооружений является проблема достоверности и оперативности расчета транспорта руслоформирующих наносов паводковым потоком. Это, в частности, является актуальным для устьевого участка реки Терек, где в результате большого стока наносов при систематическом наращивании дамб обвалования образовалось приподнятое над прилегающей местностью русло, постоянно заиливаемое мелкозернистыми наносами и легко деформируемое. Значительные годовые и многолетние колебания водного стока при частых наводнениях и прорывах земляных дамб вызывают интенсивные плановые и глубинные деформации русла, в результате чего изменяется положение динамической оси потока, форма поперечного сечения русла реки и его пропускная способность и, как следствие, увеличивается угроза наводнений при паводках и причиняемый ими ущерб. Возможность достоверного прогноза многолетнего переформирования речного русла на основе компьютерного моделирования позволяет увеличить достоверность прогноза зон затопления при паводках и авариях гидротехнических сооружений и повысить эффективность планируемых мероприятий по снижению риска наводнений.
Несмотря на многолетние исследования транспорта наносов мировой наукой, до сих пор не предложены расчетные методы и формулы, которые вошли бы в нормативные документы, существуют лишь ведомственные рекомендации. Сопоставительные результаты расчетов расхода наносов по различным формулам и с натурными данными часто расходятся на десятки и даже сотни процентов. Основные причины этих расхождений: чрезвычайная сложность, многофакторность механизма транспорта руслоформирующих наносов водными потоками в деформируемых руслах, неполный учет факторов, определяющих закономерности взаимодействия водного потока с русловыми грунтами и наносами, приближенность ряда расчетных схем и моделей процесса транспорта наносов, региональный характер морфометрических связей и эмпирических формул и др.
Существующее состояние проблемы достоверности расчета расхода наносов, сложность и трудоемкость многих расчетных методов, затрудняющая их верификацию, вызывает необходимость разработки алгоритмов и программ для компьютерного моделирования процесса транспорта речных наносов, как для научных исследований, так и практического использования.
-\-
Многочисленные теоретические и экспериментальные исследования движения
наносов в турбулентном потоке (М.А. Великанов, В.Н. Гончаров, И.В. Гришанин, Н.Н. Гришин, И.И. Леви, Ц.Е. Мирцхулава, Н.А.Михайлова, К.И. Россинский, Г.И. Шамов, H.A. Enstein, K.G. Gilbert, W.H.Graf, J.F. Kennedy, D.B. Simens, F. Senturk, M.S. и др.) дали основание выделить три вида движения руслоформирующих наносов: влечение или качение по дну (влекомые наносы); скачкообразное движение у дна, при котором высота подъема частиц над дном имеет порядок диаметра частиц (полувзвешенные наносы); движение во взвешенном состоянии, при котором высота подъема частиц имеет порядок глубины потока (взвешенные наносы). При расчете транспорта наносов первые два вида обычно рассматривают вместе и разделяют только два вида: придонные (bedload) и взвешенные наносы (suspended sediment). При неоднородном составе донных отложений в потоке одновременно могут иметь место все виды движения наносов.
Вследствие случайного характера процессов срыва, взвешивания, транспорта и осаждения наносов в турбулентном потоке физической сущности процесса транспорта руслоформирующих наносов водным потоком наиболее соответствуют математические модели, основанные на стохастическом подходе, с использованием теории вероятностей и теории выбросов случайных процессов, с учетом нормального закона распределения горизонтальной и вертикальной составляющих мгновенных скоростей течения и закона Релея для распределения их максимумов [1].
В основе этого подхода лежит представление о преобладающей роли в процессе транспорта наносов крупномасштабных вихревых образований турбулентного потока, что позволяет подойти к гидродинамическому анализу механизма движения твердых частиц с использованием осредненных характеристик взаимодействия турбулентных образований с переносимыми ими частицами грунта. С этой целью низкочастотные составляющие скорости жидкости u(t) и v(t), определяющие величину гидродинамических сил, статистически осредняются по некоторым областям крупномасштабных турбулентных образований, в пределах которых происходит срыв, взвешивание и транспорт наносов. Такое осреднение осуществляется c помощью математических методов теории вероятностей и теории выбросов случайных процессов, с использованием вероятностных критериев срыва и взвешивания частиц наносов в турбулентном потоке [2].
Физической природе транспорта руслоформирующих наносов соответствует гидродинамическая модель, основанная на представлении о скачкообразных траекториях переноса частиц наносов вихревыми образованиями, учете осредненных параметров этих траекторий — высоты, дальности и длительности переноса твердых частиц и их концентрации в потоке. Такая модель реализована путем интегрирования осредненных уравнений движения твердых частиц, с учетом статистических характеристик гидродинамических сил, скоростей течения, а также срывающих и взвешивающих вихревых образований.
Различные виды движения руслоформирующих наносов отличаются диапазонами изменения осредненных статистических параметров их траекторий и могут быть установлены по критериям, приведенными в таблице 1 [2,3]. Построенные по этим критериям зоны движения различных видов руслоформирующих наносов показаны на рис. 1.
Разработанная математическая модель транспорта наносов водным потоком и алгоритм расчета предельного расхода руслоформируюших наносов (транспортирующей способности потока) в естественном деформируемом речном русле основаны на представлении о едином механизме транспорта придонных и взвешенных наносов как стохастическом процессе взаимодействия турбулентных возмущений водного потока с частицами наносов, с учетом гранулометрического состава неоднородных по крупности частиц русловых отложений. При установившемся течении это стационарный случайный процесс, статистические характеристики которого постоянны во времени. При неустановившемся течении в паводок, при попусках воды из водохранилищ или при
-\-
возникновении волны прорыва и др. транспорт наносов является нестационарным
процессом, статические характеристики которого изменяются во времени.
Таблица 1
_Критерии видов движения руслоформирующих наносов_
Тип критерия Критерии начала движения влекомых наносов Kr1 Критерии начала движения полувзвешенных наносов Kr2 Критерии начала движения взвешенных наносов Kr3
Вероятностные критерии Bep(u(t )> uДн ) = 0,001 МДтах > UAн Вер (v(t )> w) = 0,001 Цпах ^ Bep.(o(t)> w) = 0,1 ûm > w
По относительной гидравлической крупности w <5,3 <3,0 w /av < 1,25
По относительной донной скорости u к >0 '71 u 2,13 fn~ uA ^ ' V P
^ Аи.доп VAn.ôon (P VA «.don 9
В таблице: u(t) и v(t)- горизонтальная и вертикальная составляющие мгновенной
скорости течения, м/с; мДтах- максимальная мгновенная донная скорость течения, м/с; ид - осредненная во времени донная скорость течения, м/с; мДм - актуальная неразмывающая донная скорость течения, м/с; УАнооп - допускаемая неразмывающая
донная скорость течения, м/с; утах - вертикальная составляющая максимальной мгновенной скорости течения, ут - осредненное значение максимумов вертикальной
составляющей мгновенной скорости течения, м/с; и' - гидравлическая крупность частиц наносов (скорость осаждения в стоячей воде), м/с; среднее квадратичное отклонение вертикальной составляющей мгновенной скорости течения, м/с; п - коэффициент перегрузки в формуле неразмывающей скорости течения; ср- параметр турбулентности
поведения частиц наносов в воде.
*
-*-
* Kr3
*-
— ttt — *
—<
—*
*
-
t
-*
-■ - — II -
* - — ■ - — Kr2
-^- -*-
—'
*
*- I
£ 2
о 1,5
Диаметры частиц наносов, м
Рис. 1. Зоны движения руслоформирующих наносов:
4
л 3,5
и 3
ч 2,5
-\-
Согласно указанной математической модели транспорта наносов формулы расчета удельного (на единицу ширины потока) расхода придонных q¿)он, взвешенных qвз и предельного расхода руслоформирующих наносов (удельной транспортирующей способности потока) qT могут быть представлены в виде [2, 4]:
Чдон =Рогш\- ¿>Ж Пс^с^с / ; (1)
Чвз Рдад1дш (2)
Чт ~ Ч дон ( (] 1 ^ 1 + „ т V3 Рвз 63 1 в в в 7 1 \ Рд" д^дон ) (3)
где т]с и г/в - соответственно вероятность срыва и вероятность взвешивания твердых
частиц вихревыми возмущениями, определяемые по вероятностным критериям, приведенным в табл. 1, с учетом нормального закона распределения горизонтальной и вертикальной составляющих мгновенных скоростей течения и закона Релея для распределения их максимумов; dд и dвз - средневзвешенные диаметры частиц подвижных и взвешиваемых частиц наносов, м, определяемые по гранулометрической кривой русловых отложений, с учетом критериев срыва и взвешивания частиц наносов; pд и pвз -относительное весовое содержание в составе русловых отложений срываемых и взвешиваемых частиц грунта; ус и у6 - частота (с" ), тс и г,, - длительность воздействия
срывающих и взвешивающих возмущений на частицы наносов, с; /дом и /^ - дальность
переноса частиц придонных и взвешенных наносов вихревыми возмущениями, м; р0МЛ -
плотность русловых отложений, кг/м ; $ - доля площади дна, покрытая крупными частицами отмостки.
Статистически осредненные параметры траекторий придонных и взвешенных наносов (высота подъема, дальность и длительность переноса) найдены в результате интегрирования дифференциальных уравнений движения твердых частиц с компонентами гидродинамических сил и скоростей потока, статистически осредненными по срывающим и взвешивающим вихревым возмущениям турбулентного потока с помощью методов теории выбросов случайных процессов [2].
В естественных речных руслах вследствие изменения по ширине потока геометрии русла и, следовательно, гидравлических характеристик течения, а также гранулометрического состава русловых отложений формулы (1)-(3) используется для расчета удельных расходов наносов гидравлических струй после расчета распределения по ширине русла гидравлических характеристик течения. Затем вычисляется общий предельный расход руслоформирующих наносов (транспортирующая способность потока) в заданном створе реки суммированием расходов отдельных струй по ширине потока:
ш
(4)
к=\
где Чтл=Чдонл+ЧезЛ, (5)
Чдо«к, Чю к, Чт к- соответственно удельные расходы донных, взвешенных и в целом
руслоформирующих наносов в к-й струе, кг/(с.м); bk - ширина к-й струи.
Для анализа изменения расхода руслоформирующих наносов по длине реки при установившемся движении потока вначале выполняется его гидравлический расчет, результаты которого используются для расчета предельного расхода наносов в расчетных створах и распределения удельных расходов воды и наносов по ширине русла в каждом створе.
При неустановившемся движении во время паводка рассматривается квазистационарный поток; расчет гидравлических характеристик потока и расхода
-\-
наносов ведется по заданным интервалам времени в соответствии с гидрографом паводка.
При этом назначение интервалов времени выполняется в результате предварительной оценки параметров транспорта наносов с тем, чтобы расчетные интервалы времени были не менее длительности насыщения вихревых возмущений наносами.
Алгоритм расчета расхода руслоформирующих наносов в речных руслах требует большого объема вычислений, связанных с обработкой данных гранулометрического анализа русловых отложений, расчетом статистических параметров срывающих и взвешивающих турбулентных возмущений и параметров транспорта наносов. Этот объем значительно возрастает при расчете расхода наносов в естественных речных руслах сложной конфигурации с учетом распределения по ширине русла гидравлических характеристик течения и изменения состава русловых отложений. Для решения этой проблемы была разработана компьютерная модель транспорта руслоформирующих наносов в речном русле SedimentTransport, реализованная на алгоритмическом языке Compaq Visual Fortran 6.6, снабженном студией разработчика Microsoft Visual Studio [4]. Однако реализация этой модели применительно к речным руслам сложной конфигурации требует наличия больного объема исходной информации о гидравлических характеристиках водного потока и гранулометрическом составе русловых отложений, а также и их изменении по длине и ширине русла в различных створах. Ручной ввод этой информации аннулировал бы все преимущества компьютерного моделирования транспорта наносов. Поэтому для автоматизации процесса ввода исходной гидравлической информации для расчета транспорта наносов был модернизирован созданный ранее на базе ГИС-интерфейса (ArcView GIS 3.2) прогнозно-моделирующий программный комплекс TerekFloodGIS, предназначенный для расчета и визуализации гидравлических характеристик течения в руслах сложной конфигурации при паводках различной обеспеченности (на примере устьевого участка р. Терек) [5,6], путем включения в него дополнительного внешнего расчетного модуля SedimentTransport.
Новый программный комплекс TerekFloodGIS_2, созданный на базе ГИС-интерфейса и интегрированной среды программирования Microsoft Visual Studio для алгоритмического языка Compaq Visual Fortran, предназначен для компьютерного моделирования гидравлических процессов и транспорта руслоформирующих наносов в речных руслах сложной конфигурации. В отличие от предшествующей версии он содержит, кроме двух независимых внешних гидравлических модулей Streamflowl — для моделирования гидравлических процессов в речном русле и SedimentTransport — для моделирования транспорта руслоформирующих наносов, - гидравлический модуль ChannelFlow, представляющий собой объединенные в среде Microsoft Visual Studio в общее рабочее пространство Workspace проекты Streamflowl и SedimentTransport (рис. 2). Это позволяет, в зависимости от целей моделирования, обеспечить как независимую работу модулей Streamflowl и SedimentTransport, так и совместную работу с обменом информацией, как между этими модулями, так и со средой ГИС. Возможность взаимного обмена информацией между указанными модулями важна не только для моделирования транспорта руслоформирующих наносов, но и в дальнейшем при компьютерном моделировании русловых деформаций в результате паводков и под воздействием речных гидротехнических сооружений.
Запуск указанных модулей осуществляется из среды ГИС с помощью встроенных в интерфейс ArcView GIS кнопок со специальным программным обеспечением (см. рис. 4).
Описание состава, функциональных возможностей и работы проекта Streamflowl с ГИС-оболочкой ArcView GIS 3.2 приведено в работах [5,6].
Проект SedimentTransport состоит из головной программы SedimentTransport, управляющей алгоритмом расчета, и 10 процедур, обеспечивающих ввод, вывод данных и различные расчетные процедуры:
Рис. 2. Microsoft Visual Studio Студия для алгоритмического языка Compaq Visual Fortran 6.6 с открытым модулем ChannelFlow и окнами головных программ проектов
SedimentTransport и Streamflow1
• DataTypeDeclaration - модуль объявления атрибутов переменных и динамически размещаемых массивов, используемых различными подпрограммами;
• SedimentTransport_Inp - подпрограмма ввода входных данным из текстовых файлов с разделителями;
• SedimentTransport_Out - подпрограмма вывода результатов расчета в текстовые файлы;
• FallVelocity - модуль данных шкалы гидравлической крупности наносов;
• SedimentLoad - подпрограмма расчета расхода руслоформирующих наносов; Ground - подпрограмма статистической обработки данных гранулометрического
анализа русловых отложений;
• NonscourVelocity - подпрограмма расчета неразмывающей скорости течения;
• CrossSection - подпрограмма расчета гидравлических характеристик поперечного сечения естественного речного русла при заданных координатах поперечного профиля и уровнях воды в створе, а также расчета распределения гидравлических характеристик течения по ширине русла;
• LineIntl и LineInt2 - подпрограммы линейной интерполяции для одномерных и двумерных массивов.
Текстовые файлы входных данных: GeneralData.txt - информация о признаках счета, размерах массивов данных, характеристиках русловых отложений и др. ;
• Sec_1.txt, Sec_2.txt , ... - координаты и высотные отметки дна поперечных профилей русла в расчетных створах;
• FlowDataSediment.txt - расстояния до расчетных створов, гидравлические характеристики потока в расчетных створах: расходы воды, отметки уровней воды в межень и при расчетных расходах, координаты урезов воды;
А-
Текстовые файлы выходных данных:
• SedimentCharacteristics.txt - расчетные характеристики гранулометрического состава русловых отложений;
• SedimentLoadAlongRiver.txt - расчетные предельные расходы придонных, взвешенных наносов и общие расходы руслоформирующих наносов в расчетных створах;
• SedimentLoadIntensity - распределение удельной транспортирующей способности потока по ширине русла в заданных створах применительно к донным, взвешенным и в целом к руслоформирующим наносам.
Для моделирования транспорта руслоформирующих наносов предварительно с помощью проекта Streamflowl выполняется расчет необходимых гидравлических характеристик течения в расчетных створах реки при расходе заданной обеспеченности и формируется файл входных данных FlowDataSediment.txt для проекта SedimentTransport. Затем запускается на выполнение проект SedimentTransport.
Результаты расчетов автоматически выводятся в текстовые файлы и после загрузки их в таблицы Microsoft Excel, визуализатор массивов Compaq Array Visualizer или в базы данных ArcView GIS могут визуализироваться на экране монитора непосредственно из среды ГИС с помощью встроенных кнопок или инструментом Горячая связь.
На рис. 3 и 4 приведены примеры визуализации результатов расчета транспортирующей способности потока в различных створах на устьевом участке р. Терек и изменения удельной транспортирующей способности по ширине русла в створе гидропоста в нижнем бьефе Каргалинского гидроузла.
80
70
60
50
40
30
%— Ф
3= ф ф
—; ф
Ф
ф -4 ф
ф =f —* -
ф —^ fr
ф -h r-
=*= 1 < »- —N
ф 1= t= Г-Г
-V Чг- 1
У —, ( —if
m -X ы 4F Ж Ж
£ 20
10
10000
20000
30000
-Gt
■Gb
-Л- Gd
40000 50000 60000 70000
Расстояние от Каргалинского гидроузла, м
80000
90000
100000
0
0
Рис. 3. Изменение вдоль русла транспортирующей способности руслового потока на устьевом участке р. Терек при расходе воды 20%-й обеспеченности 960 м3/с, с учетом
потерь водного стока по длине русла: Gt - предельный расход руслоформирующих наносов, кг/с; Gd - то же для придонных наносов, Gb - то же для взвешенных наносов
Рис. 4. Визуализация из среды ГИС инструментом Горячая связь диаграммы изменения по ширине русла удельной транспортирующей способности руслового потока в нижнем течении р. Терек в створе нижнего бьефа Каргалинского гидроузла при расходе воды 20%-й обеспеченности 960 м3/с: qtk - удельный расход руслоформирующих наносов,
кг/(с.м);
qdk - то же для придонных наносов, qbk - то же для взвешенных наносов
Для проведении научных исследований с целью совершенствования математической модели транспорта руслоформирующих наносов и их отдельных видов в проекте SedimentTransport предусмотрен вывод в текстовые файлы необходимой для исследования информации об используемых в модели вероятностных характеристиках взаимодействия турбулентного потока с частицами наносов и статистических параметрах их движения.
С помощью разработанного программного комплекса могут быть выполнены расчеты транспорта наносов по существующим многочисленным методам различных авторов и обеспечен вывод их результатов в форме, удобной для сравнения различных методов и сопоставления результатов с натурными и экспериментальными данными.
Апробация программного комплекса, выполненная на экспериментальном и натурном материале, показала более удовлетворительное соответствие разработанной математической модели транспорта руслоформирующих наносов турбулентным потоком экспериментальным и натурным данным различных исследователей в части, касающейся придонных наносов (рис. 5). Задачами дальнейших исследований являются: совершенствование с использованием разработанного программного комплекса математической модели транспорта взвешенных наносов, с целью обеспечения большей точности расчетов, путем апробации ее применительно к различным гидравлическим
-\-
условиям течения и гранулометрическим составам русловых грунтов; применение модели
транспорта руслоформирующих наносов к условиям неустановившегося течения в паводок, как для руслового, так и пойменного потоков; использование этой модели для прогноза переформирования речных русел.
Разработанный программный комплекс обеспечивает автоматизацию сложных вычислительных операций, связанных с расчетом расхода руслоформирующих наносов в речных руслах, и может быть использован при компьютерном моделировании русловых деформаций в результате паводков и под воздействием речных гидротехнических сооружений.
Относительная донная скорость потока
Рис. 5. Сопоставление расчетных значений (линии) относительного расхода придонных
наносов доон /(роп^УАнооп)с опытными данными (точки) Джильберта, Пейнтела, Гончарова, Талмазы при различной относительной донной скорости потока йА /УАндоп [3]
Библиографический список
1. Тихонов В.И., Хименко В.И. Выбросы траекторий случайных процессов: монография. - М.: Наука, 1987. - 304 с.
2. Магомедова А.В. Эрозионные процессы в руслах рек и каналов: монография. - М., ВЗПИ, 1990. - 202 с.
3. Магомедова А.В., Гусейнова М.Р. Применение теории выбросов случайных процессов для расчета транспорта придонных наносов в каналах оросительной сети // Проблемы мелиорации и перспективы развития водохозяйственного комплекса Республики Дагестан: сб. статей. - Махачкала, 2005. - С. 81-88.
-\-
4. Магомедова А.В., Гуруев М.А., Семенова Н.В. Разработка компьютерной модели транспорта руслоформирующих наносов в открытых руслах // Паводковые потоки и водные бассейны: проблемы регулирования водотоков, безопасность и надежность ГТС, мониторинг водных объектов и защита водоохранных зон: сб. статей. - Нальчик -Махачкала, 2007. С. 105-109.
5. Магомедова А.В., Дмитриев Е.С., Гуруев М.А. Разработка компьютерной гидродинамической модели паводкового потока с использованием ГИС-технологий (на примере устьевого участка реки Терек) // Природообустройство. - 2008. - № 4. - С. 8287.
6. Магомедова А.В., Гуруев М.А. Результаты компьютерного моделирования гидравлических процессов на устьевом участке русла р. Терек с использованием программного комплекса TerekFloodGIS // Вестник ДГТУ. Технич. науки. - Вып. 11. -Махачкала, 2008. - С. 123-129.
Вестник ДГТУ. Технические науки. № 15, 2009. A.V. Magomedova, M.R. Guseinova, N. V. Nasibova
Development of the software system for calculation of sediment transport in rivers beds using gis-technology
On the basis of GIS-interface and algorithmic language of Compaq Visual Fortran the software system is developed for the computer modeling of hydraulic processes and sediment transport in river beds with complicated configuration. The mathematical model of sediment transport is actualized in it. This model is build upon stochastic conception about the interacting process of the turbulent stream and solid particles using methods of the theory of runs of stochastic functions. The software system provides calculation and visualization of variations of the transport competency along the length and across the width of a river into various river stations. This software system canst be used when computer modeling of river beds deformations on account of floods and under the influence of rivers hydraulic structures. Key words: GIS, software system, sediment transport, channel flow, river bed.
Магомедова Алла Витальевна (р. 1937) Профессор кафедры гидротехнических сооружений. Доктор технических наук (1984). Окончила Тбилисский государственный педагогический институт им. А.С.Пушкина (1959)
Область научных интересов: гидравлика и инженерная гидрология, математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, геоинформационные технологии
Автор около 100 публикаций
Гусейнова Милада Руслановна (р. 1978) Зам. декана гидротехнического факультета Дагестанского государственного технического университета. Кандидат технических наук (2006). Окончила Дагестанский государственный технический университет (2000) Область научных интересов - гидравлика и инженерная гидрология, математическое моделирование, численные методы и комплексы программ, Автор около 30 публикаций
Насибова Наталья Владимировна (р. 1982) Аспирант кафедры гидротехнических сооружений. Окончила Дагестанский государственный технический университет (2004) Область научных интересов - гидравлика и инженерная гидрология Автор 5 научных публикаций
