Петр Пушистов - Наводнения: от защиты к управлению

2.1. Динамика 1D течения открытой воды

Эта программа реализует полную систему уравнений Сен-Венана, включая переходные режимы течений и профили подпора. Она воспроизводит любые поперечные сечения (открытые и закрытые), включая ассиметричные поперечные сечения. Она также позволяет пользователю определить различные разрезы внутри поперечного сечения, используя при этом альтернативные формулировки коэффициентов шероховатости и/или других коэффициентов для каждого их них. Спецпроцессор решения 1D/2D задач гидродинамики имеет процедуру автоматического описания высыхания и затопления, которая на 100% сохраняет массу воды. Спецпроцессор может расчитывать участки круто наклоненных русел со сверхкритическими течениями и перемещающимися гидравлическими скачками. Сложные сети любого размера с внутренними «петлями» и рукавами аппроксимируются, без каких либо затруднений для пользователя. Пользователь также может описать почти любую гидравлическую структуру (насосы, плотины, затворы, водопропускные трубы, шлюзы и мосты, как виртуальные структуры любой формы и размерности). Программа предоставляет возможность проводить расчет и визуализацию на сетке переноса наносов. Могут быть промоделированы воздействия ветра на уровни воды путем задания скорости и направления ветра, как в виде констант, так и в форме временных рядов. Можно использовать самые различные граничные и начальные условия. Можно задать боковые притоки и оттоки либо в форме констант, либо в зависимости от времени, либо основываясь на определенных формулах или при автоматическом считывании результатов расчетов по программе «осадки — сток». Программа 1D течения открытой воды связана через интерфейс со всеми программными модулями SOBEK, что позволяет обеспечить интегрированность модели водной системы.

2.2. Динамика 1D течения в трубопроводах

Эта программа использует полный набор уравнений Сен-Венана и таким образом включает описание подпорных и транзитных течений воды. Она моделирует широкий диапазон изменчивости поперечных сечений и форм канализационных труб (в том числе, определенных пользователем).

Рис. 21. Пример Графического интерфейса пользователя (GUI)

Она специально спроектирована для того, чтобы обрабатывать большие и сложные сети коллекторов / канализационных труб на обычном ПК, при этом время расчетов является линейной функцией размера сети и не зависит от её сложности. Программа расчета динамики 1D течений в трубопроводах включает в себя описание притоков воды за счет осадков и поверхностного стока и воспроизведение процессов для различных типов водонепроницаемых площадей, таких как улицы, кровля и места парковки транспорта. Пользователь может задать собственные данные о временной и пространственной изменчивости осадков или исторические данные о событиях штормов. В программе доступно воспроизведение детальной инфильтрации, как процесса зависящего от времени и описываемого с помощью уравнения HORTON. Расчет переноса наносов позволяет увидеть зоны, где наносы могут осаждаться. Этот расчет проводится с помощью интерфейса с программой динамики 1D течения открытой воды с тем, чтобы обеспечить работу интегрированной модели системы городского водоснабжения и ее окружения.

2.3. Динамика 2D затопления

Эта программа полностью интегрирована с программами динамики 1D течения открытой воды и динамики 1D течения в трубопроводах с целью возможно точного моделирования наводнений в речных системах, на участках польдеров, при повреждениях и прорывах плотин/барьеров и дамб, при затоплениях улиц и т. п. Программа базируется на полных уравнениях Сен-Венана. Спецпроцессор расчета 1D/2D задач гидродинамики воспроизводит зоны резких фронтов, процессы увлажнения и высыхания, докритические и сверхкритические течения. Спецпроцессор также способен формировать множество областей расчетов и осуществлять монтаж их вложенностей. Программа динамики 2D затопления включает в себя модуль «осадки» на 2D сетке.

Рис. 22. Пример моделирования наводнения на реке Дейли, Австралия

Рис. 23. QUICKIN — мощный редактор сетки, связанный с данными, например, данными батиметрии

2.4. Динамика системы «осадки-сток»

Эта программа содержит библиотеку модулей «осадки-сток» от масштаба польдерных суббассейнов до масштаба речного водосбора. Эти водосборные территории могут быть промоделированы либо как целые и детализированные, либо как пространственно-осредненные без каких-либо ограничений на число водосборных участков. Водосборные участки / площади могут быть промоделированы с высокой степенью детализации и с использованием данных об отметках высот поверхности Земли, характеристик различных типов почв, видов обработки земли, характеристик дренажа и т. п. Эта программа позволяет описать различные процессы в системе «осадки — сток» такие, как поверхностный сток, подпочвенный дренаж и запасы воды в насыщенной и ненасыщенной зонах, с учетом испарения растительностью и капиллярного подъема влаги. Программа динамики системы «осадки — сток» использует данные как об отдельных событиях штормов, так и долгопериодные временные ряды метеорологических данных для статистического анализа. Эта программа может моделировать как события наводнений, так и периоды засух.

2.5. 1D описание качества воды

Эта программа основана на спецпроцессоре 1D/2D/3D моделирования качества воды, который при разработке вобрал в себя более, чем 30-летний коллективный мировой опыт моделирования качества воды. Она моделирует почти любые переменные качества воды и связанные с ними процессы, формирующие качество воды. Компоненты этой программы являются чрезвычайно гибкими благодаря доступности к многим стандартным опциям и доступности к опциям, определяемым пользователем. В этой программе используется библиотека, описывающая 900 процессов и веществ/субстанций, включая эвтрофикацию, адсорбцию, десорбцию, биогены, бактерии, растворенный кислород, фитопланктон, тяжелые металлы и микрополлютанты.

Рис. 24. Пример графического интерфейса пользователя системы Delft FEWS для дополнительных модулей программы SOBEK реки По, Италия.

3. Программа оперативного управления инженерными сооружениями

Управление в режиме реального времени часто позволяет сэкономить средства при строительстве, перестройке и при (оперативном) управлении объектами инфраструктуры систем водных ресурсов. Программа расчета характеристик динамики управления в режиме реального времени показывает, в какой степени существующая инфраструктура может быть использована наилучшим (оптимальным) образом. Она позволяет пользователю имитировать процесс оперативного управления сложным комплексом практически любых инженерных сооружений на реках, каналах, в системах ирригации и дренажа и/или сетях трубопроводов. Эта программа позволяет описывать оптимальное реагирование системы водных ресурсов в зависимости от реальных уровней воды, расходов, (прогнозируемых) осадков с помощью управляемых затворов, плотин, шлюзов и насосов.