Моделирование паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления

• Автор: Степанов, Константин Александрович
• Шифр специальности: 06.01.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 125 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1: Современные подходы для решения задач о моделировании паводковых и прорывных волн для обоснования защитных мероприятий
1.1 Анализ недавних наводнений и мероприятий по защите сельскохозяйственных земель
1.2 История развития теории о моделировании паводковых и прорывных.волн
1. 3 Выводы по главе
Глава 2. Оценка влияния исходных данных на точность математического моделирования паводковых и прорывных волн
2.1 Обзор точности получаемых исходных данных для моделирования движения жидкости в открытых руслах
2.2 Геоинформационные технологии в математическом моделировании
2.3 Оценка влияния донной шероховатости на точность математического моделирования волны в случаях сухого и смоченного русла
2.4 Анализ результатов моделирования паводковых и прорывных волн в зависимости от уровня воды в нижнем бьефе
2.5 Выводы по главе
Глава 3. Разработка методики моделирования речного потока при прохождении экстремальных расходов
3.1 Создание технологии обоснования противопаводковых мероприятий
3.2 Калибровка модели
3.3.Верификация методики
3.4 Выводы по главе
Глава 4. Расчеты и сопоставление результатов моделирования
4.1 Описание созданной методики и программного средства для оперативного моделирования распространения паводковых и прорывных волн
4.1 Расчет при использовании инструмента MIKE
4.2 Расчет по разработанной методике
4.3 Выводы по главе
Глава 5. Апробация методики получения инженерных обоснований противопаводковых мероприятий и сравнение с другими программными продуктами
5.1 Инженерные обоснования противопаводковых мероприятий
5.2 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы:
Введение
Актуальность темы:
В последние годы увеличилось количество чрезвычайных ситуаций, которые привели к значительному ухудшению качества земель и ущербу населенным пунктам. Так, например, наводнение в Амурской области в 2013 году привело к гибели посевов сельскохозяйственных культур на площади в 627,4 тыс. га. Эвакуировано 1727 человек из затопленных поселений. Летом 2012 года из-за наводнения в Крымске погибло 168 человек, пострадало 53107 человек, было разрушено 1200 домов, наводнение уничтожило около 150 га посевов, ущерб оценен в 70 миллионов рублей. Для восстановления разрушенных земель требуются огромные затраты, которые намного превышают средства, требуемые для проведения противопаводковых мероприятий. На ликвидацию последствий наводнения в Крымске было потрачено свыше 15 миллиардов рублей, в то время, как гидротехническая защита города от наводнения оценивается в 5 миллиардов рублей.
Наиболее распространенными способами защиты от затопления являются строительство дамб или создание польдерных систем. Ввиду значительной протяженности объектов защиты для определения параметров защитных сооружений перспективно применение численного гидродинамического моделирования. На его основе оценивается распространение паводковых и прорывных волн и проводится расчет зон затопления в речной долине.
Использование существующих программных средств для определения зон потенциального затопления в результате прохождения паводка или волны прорыва возможно только высококвалифицированными специалистами с использованием дорогостоящего оборудования, при этом их стоимость достаточно велика. В тоже время применяемые методики моделирования и программные продукты не предлагают оперативного решения для задач, связанных с оценкой последствий катастрофических паводков. Разработка экспресс-технологии моделирования паводковых и прорывных волн для обоснования мероприятий по защите сельскохозяйственных земель от затопления, является актуальным

aiPikjVaj+ajPjkiVai
В нашем случае, когда поверхность раздела криволинейна, то значения давления по разные стороны от нее отличается на величину:
Pi ~ Рг = <г(^ + ~), (14)
где: Ra, Rb - радиусы кривизны поверхности раздела в двух взаимно пер-пендиукулярных направлениях, м; а - поверхностное натяжение, Н/м.
В программном комплексе Ansys Fluent 14 сила поверхностного натяжения на разделе двух слоев определяется как: [94]
Fa = ^ aipjkjVi
W где: а, 6 [0,1] - объемная доля жидкости в ячейке; к = V ■ п, где п =
й’ "=V В нашем случае присутствуют только два слоя, тогда ki = —kj, Va* = — Vcij, тогда сила поверхностного натяжения принимает вид:
pk,Vai
Ъ = (16)
2 (Pi+Pj)
где: р = X ciqPq - усредненная плотность.
При больших числах Рейнольдса поток будет сильно турбулентным, что даст скачкообразное изменение составляющих скорости и напряжения на границе двух слоев.
При рассмотрении потока, как однослойное течение на дне будем использовать условие «прилипания». Это условие означает, что частицы жидкости, непосредственно прилегающие к твердому телу, имеют скорость, равную скорости этого тела. В нашем условии дно неподвижно, следовательно, скорость на границе будет равна нулю. Подразумевается, что трение на поверхности много больше трения между слоями жидкости.
Можно сделать предположение, что при моделировании волны паводка или волны прорыва, которая обрушается в русло реки, на разделе слоев касательные скорость будут таковы, что vlt « v2t. В таком случае будут происхо-