Петр Пушистов - Наводнения: от защиты к управлению

Часть 1. Опыт разработки и результаты применения информационно-вычислительного комплекса «Северная Сосьва»

В синопсис первой части монографии [40] включим следующие разделы:

Объект и необходимость моделирования

Выбор конкретного водного объекта моделирования (участок среднего течения р. Северная Сосьва между гидропостом (г/п) Сосьва и г/п Сартынья) сделан с учётом следующих обстоятельств.

— Река Северная Сосьва образует уникальную естественно-природную экосистему с эндемиками в составе биоты (в их числе тугун — знаменитая сосьвинская селёдка), с нерестилищами особо ценных видов рыб, в том числе занесенных в Красную книгу РФ и ХМАО-Югры. В бассейне реки расположены природные территории, отнесенные к категории особо охраняемых, а также родовые угодья представителей коренных малочисленных народов Севера (Характеристика экосистемы…, 1990).

— Бассейн верхнего и среднего течения реки в ближайшие годы станет зоной активного транспортно-энергетического и промышленного освоения (мегапроект «Урал промышленный — Урал Полярный») (Концепция комплексного промышленного…, 2006), что делает важной задачу разработки проекта СППР ИУВР бассейна Северной Сосьвы (Дикунец и др., 2009; Пушистов и др. 2010).

Состав ИВК «Северная Сосьва»

Информационно-вычислительный комплекс для моделирования гидродинамики и качества воды пилотного участка среднего течения р. Северная Сосьва (ИВК «Северная Сосьва»), имеет в своем составе три проблемно-ориентированных модуля:

WMS — препроцессор, используемый для автоматизации подготовки файла батиметрии;

CE-QUAL-W2 v.3.2 и MIKE 11 HD — основной и дополнительный прогностические модули ИВК;

БД для обеспечения работы модулей 1 и 2.

При разработке ИВК «Северная Сосьва» первоочередной являлась задача автоматизированного построения файла батиметрии, необходимого для генерации расчетной сетки модели CE-QUAL-W2 v. 3.2. Ключевой момент в построении батиметрии с использованием WMS (http://www.aquaveo.com) состоит в том, что необходимо получить нерегулярную триангуляционную сеть (TIN) отметок высот над уровнем моря, описывающую русловую и пойменную части указанного участка реки. Для этого были использованы следующие наборы данных:

1) номенклатурные листы топографической карты береговой зоны пилотного участка р. Северная Сосьва масштаба 1:25 000;

2) лоцманские карты р. Северная Сосьва на исследуемом участке;

3) данные эхолотирования (Garmin GPSMAP 178C) и поперечные разрезы русла («Mini» ADP RiverSurveyor system), полученные в результате проведения детализированных полевых работ 2007 г.

Участок полевых работ от г/п Сосьва до г/п Сартынья (длина участка — 70 км) и разрезы, на которых проводились измерения, показаны на рис. 25.

Рис. 25. Схема участка проведения экспедиционных работ и местоположения промерных створов, построенная в ArcGis 9.3 с помощью Google Earth 21 21 Рисунок 25 и последующие в этом разделе адаптированы из [40]

Сетка модели CE-QUAL-W2 (далее W2—2011), полученная с помощью ИВК «Северная Сосьва» и показанная на рис. 26, имеет следующие параметры: общее число сегментов — 450, в т. ч. 357 сегментов основного русла и 93 сегмента, приходящихся на участки реки, отделенные от основного русла 7 островами. Всего в сетку модели W2—2011 включено семь проток. Длины сегментов модели W2—2011 изменяются в диапазоне от 47,6 м до 271,5 м при средних значениях около 200 м, число вертикальных слоев равно 104, толщина слоев — 0,2 м. На рис. 26 для удобства сравнения сеточного представления модели W2—2011 приведена схема расчетной сетки модели W2—2009, построенной вручную, с одинаковыми длинами сегментов, равными 400 м (число слоев по вертикали — 104, толщина слоев — 0,2 м).

Рис. 26. Схема расчетной сетки в плане участка реки Северная Сосьва от г/п Сосьва до г/п Сартынья: а) модель W2—2011; б) остров и протока Яныг-Пальятумп; в) модель W2—2009

Некоторые результаты верификации ИВК «Северная Сосьва» (W2—2011)

Общее представления о качестве воспроизведения уровня поверхности воды (η) вдоль участка реки дает рисунок на рис. 27. Максимальные значения абсолютных и относительных ошибок в расчетах уровней поверхности воды составили 0,42 м и 9,6%, соответственно, в точке 9 на данном рисунке.

Рис. 27. Результаты моделирования продольного профиля уровня воды на участке р. Северная Сосьва (сплошная кривая) и данные наблюдений за 20—21.09.2007 г. (точки)

Продольно-вертикальная структура поля горизонтальной скорости U , отображенного графическим интерфейсом моделей W2—2011 и W2—2009 в координатах «номера слоев сетки — номера сегментов», показана на рис. 28. Результаты моделирования продольной скорости течения U в поверхностном слое воды (сплошная кривая) и результаты полевых измерений (точки) представлены на рис. 29. Средняя величина относительной ошибки в прогнозе значений U , рассчитанные для 12 створов (точки на фрагменте (а)) оказалась равной 4,1%.

Рис. 28 .Результаты моделирования продольной скорости течения за 21 сентября 2007 г.: а) W2—2011, б) W2—2009

Рис. 29. Результаты моделирования поперечно-осредненной продольной скорости течения в поверхностном слое воды за 21 сентября 2007 г.: а) W2—2011, б) W2—2009. Точками показаны соответствующие поперчено-осредненные данные измерений, полученные с помощью «Mini» ADP

Результаты применения информационно-вычислительной системы MIKE11 для моделирования переменных гидродинамики среднего течения реки Северная Сосьва

В целом, необходимость разработки одномерной (MIKE 11), как и двумерной поперечно-осредненной (W2) численных моделей гидродинамики и качества воды для участка реки от г/п Сосьва до г/п Игрим и последующего создания на их основе информационно-моделирующей системы прогнозирования гидрологических и экологических чрезвычайных ситуаций, обусловлена тем, что р. Северная Сосьва в среднем течении относится к водным объектам ХМАО-Югры с высокими рисками указанных ЧС. С одной стороны, этот участок относится к паводкоопасным с угрозами экстремально высоких уровней воды в период весенне-летнего половодья и сильных дождевых паводков в горной и предгорной частях бассейна , с другой — в засушливые периоды уровни воды летней межени могут быть экстремально низкими, что несет прямую угрозу судоходству на реке. Риски экологических ЧС обусловлены наличием в пойме среднего течения Северной Сосьвы объекта «Кратон» (законсервированная скважина — результат «мирного ядерного взрыва»), возможностью аварийных ситуаций при судоходстве, а также настоящим и особенно перспективным (Концепция комплексного…, 2006) сбросом загрязняющих веществ в местах добычи полезных ископаемых в Приполярном Урале.

Профессиональный инженерный программный пакет «MIKE 11 — a Modeling Systems for Rivers and Channels» (системы моделирования рек и каналов), разработанный Датским гидравлическим институтом, как уже отмечалось во введении [40], широко применяется на практике в качестве инструмента динамического одномерного моделирования течений и качества воды в реках, водохранилищах, ирригационных системах, каналах и других водных объектах (http://www.dhigroup.com). 22 22 Совсем недавний пример успешного применения MIKE11 в составе ИВК, разработанного сотрудниками ИВП РАН для сценарного воспроизведения динамики наводнения на реке Амур в 2013 году, описан в статье [18], опубликованной в 2014 году. Одной из важных особенностей системы MIKE 11 [83] является ее модульная структура (MIKE 11…, 2006; 2008). Ядром моделирующей системы является модуль гидродинамики (HD), на основе которого формируются другие модули системы: поверхностного стока (RR), прогноза наводнений (EF), качества воды (WQ) и переноса наносов (ST). Модуль гидродинамики реализован на основе нестационарных одномерных уравнений Сен-Венана, с использованием неявной конечно-разностной схемы для расчета неустановившихся течений (MIKE 11…, 2008).