1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Водные ресурсы
  4. T. 50, № 4, 2023

Водные ресурсы, 2023, T. 50, № 4, стр. 367-384

Опыт численного гидродинамического моделирования протяженных участков рек

В. В. Беликов a, *, А. И. Алексюк a, b, Н. М. Борисова a, Е. С. Васильева a, **, А. В. Глотко a, c

a Институт водных проблем РАН
119333 Москва, Россия

b МГУ им. М.В. Ломоносова, Механико-математический факультет
119991 Москва, Россия

c «Национальный исследовательский Московский Государственный строительный университет»
129337 Москва, Россия

* E-mail: belvv@bk.ru
** E-mail: vasilevaes@yandex.ru

Поступила в редакцию 29.09.2022
После доработки 30.01.2023
Принята к публикации 30.01.2023

Аннотация

Сформулированы основные требования к численным алгоритмам для гидродинамического 2D-моделирования протяженных и гиперпротяженных участков рек и речных долин длиной до тысяч километров. Главным является применение адаптивных неструктурированных сеток, а также алгоритмов, дающих правильные значения отметок водной поверхности на “грубых” сетках с учетом резких перепадов отметок дна. Представлена гидродинамическая модель р. Амур общей протяженностью >3 тыс. км, основанная на численном решении двумерных уравнений мелкой воды (Сен-Венана) по оригинальному высокоточному алгоритму с учетом дорожных и защитных сооружений на пойме. Описаны этапы построения модели, ее верификации и результаты расчетов экстраординарного наводнения в 2013 г. и высокого наводнения в 2020 г. Приведены отметки уровней (с оценкой погрешности) и величины расходов воды на водопостах, скоростные поля течения, зоны затопления пойменных территорий.

Ключевые слова: численные алгоритмы, задача Римана, гидродинамическая модель протяженного участка, наводнение, зона затопления, р. Амур.

Список литературы

  1. Алабян А.М., Василенко А.Н., Демиденко Н.А., Крыленко И.Н., Панченко Е.Д., Попрядухин А.А. Приливная динамика вод в дельте Печоры в летнюю межень // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5, География. 2022. № 1. С. 167–179.

  2. Алабян А.М., Крыленко И.Н., Лебедева С.В., Панченко Е.Д. Мировой опыт численного моделирования динамики потока в устьях рек // Вод. ресурсы. 2022. Т. 49. № 5. С. 552–567.

  3. Американский спутник наблюдения за поверхностью Земли, находящийся в ведении геологической службы США (USGS.) https://earthexplorer.usgs.gov/

  4. Беликов В.В. Вычислительный комплекс “TRIANA” – генератор сеток треугольных конечных элементов в произвольных плоских областях. М.: ГосФАП СССР, П007705, 1984.

  5. Беликов В.В., Алексюк А.И. Модели мелкой воды в задачах речной гидродинамики М.: РАН, 2020. 346 с.

  6. Беликов В.В., Алексюк А.И., Борисова Н.М., Глотко А.В., Румянцев А.Б. Оценка изменения уровней затопления поймы Нижнего Дона под влиянием хозяйственной деятельности. Ретроспективное гидродинамическое моделирование // Вод. ресурсы. 2022. Т. 49. № 6. С. 681–690.

  7. Беликов В.В., Борисова Н.М., Румянцев А.Б., Бугаец А.Н. Численная гидродинамическая модель стоково-приливных течений в Амурском лимане // Сб. науч. тр. Всерос. конф. “Водные ресурсы: новые вызовы и пути решения”. Новочеркасск: Лик, 2017. С. 480–485.

  8. Беликов В.В., Глотко А.В. Компьютерное моделирование паводковых и меженных течений в Чебоксарском водохранилище с применением различных численных методов // Природообустройство и рациональное природопользование – необходимые условия социально-экономического развития России. Сб. науч. тр. Ч. I. М.: МГУП, 2005. С. 204–210.

  9. Беликов В.В., Зайцев А.А., Зернов А.В. и др. Гидродинамическая модель Невы // Тр. международ. науч.-практ. конф. “Безопасность речных судоходных гидротехнических сооружений”. Кн. I. СПб., 2008. С. 155–174.

  10. Беликов В.В., Колесников Ю.М., Иваненко С.А. Математическое моделирование пропуска весеннего половодья через городской бьеф р. Москвы // Вод. ресурсы. 2001. Т. 28. № 5. С. 566–572.

  11. Беликов В.В., Милитеев А.Н. Двухслойная математическая модель катастрофических паводков // Вычислительные технологии. 1992. Т. 1. № 3. С. 167–174.

  12. Беликов В.В., Милитеев А.Н. Численная модель морских нагонов в приустьевых участках рек // Сб. науч. тр. КаГУ. Калининград, 1993. С. 15–23.

  13. Беликов В.В., Третьюхина (Васильева) Е.С., Кочетков В.В., Зайцев А.А., Савельев Р.А., Сосунов И.В. Компьютерное моделирование катастрофического заторного наводнения в районе г. Ленска // БЭС. Вып. 12. М.: НИИЭС, 2004. С. 220–249.

  14. Калугин А.С., Мотовилов Ю.Г. Модель формирования стока для бассейна реки Амур // Вод. ресурсы. 2018. Т. 45. № 2. С. 121–132.

  15. Кюнж Ж.А., Холли Ф.М., Вервей А. Численные методы в задачах речной гидравлики. М.: Энергоатомиздат, 1985. 255с.

  16. Лебедева С.В., Алабян А.М., Крыленко И.Н., Федорова Т.А. Наводнения в устье Северной Двины и их моделирование // Геориск. 2015. № 1. С. 18–25.

  17. Мотовилов Ю.Г., Данилов-Данильян В.И., Дод Е.В., Калугин А.С. Оценка противопаводкового эффекта действующих и планируемых водохранилищ в бассейне Среднего Амура на основе физико-математических гидрологических моделей // Вод. ресурсы. 2015. Т. 42. № 5. С. 476–491.

  18. Неров И.О., Краснопеев С.М., Бугаец А.Н., Беликов В.В., Глотко А.В., Борисова Н.М., Васильева Е.С., Кролевецкая Ю.В. Опыт создания цифровой модели рельефа для гидродинамических расчетов в бассейне р. Амур // Вестн. ДВО РАН. 2021. № 6 (220) С. 45–55.

  19. НЦ ОМЗ. Космические аппараты типа “Канопус-В”. http://www.ntsomz.ru/ks_dzz/satellites/kanopus_vulkan

  20. НЦ ОМЗ. Космические аппараты типа “Ресурс-П”. http://www.ntsomz.ru/ks_dzz/satellites/resurs_p

  21. Проект ArcGIS Online (США). https://www.arcgis.com/home/ item.html?id= 10df2279f9684e4a9f- 6a7f08febac2a9; Airbus Defence and Space (Франция). WorldDEM™ – The New Standard of Global Elevation Models. Elevation Models. https://www.intelligence-airbusds. com/imagery/reference-layers/ worlddem/worlddem-thematic-layers-and-derivatives/

  22. Румянцев А.Б., Беликов В.В. Оценка рисков воздействия экстремальных гидрометеорологических явлений и техногенных паводков на объекты повышенной опасности // Сб. науч. тр. Всерос. науч. конф. “Научное обеспечение реализации “Водной стратегии Российской Федерации на период до 2020 г.”. Петрозаводск, 2015. Т. 2. С. 38–44.

  23. Свид. 2014612182 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс для расчета течений, деформаций дна и переноса загрязнений в протяженной и разветвленной системе русел (RIVER_1D). В.В. Беликов, В.В. Кочетков. № 2 013 619 720. 2014. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

  24. Свид. 2 002 610 941 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Комплекс программ для расчета речных течений (FLOOD). Беликов В.В., Милитеев А.Н. № 200 610 689. 2002. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

  25. Свид. 2001610638 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Комплекс программ для расчета волн прорыва (БОР). В.В. Беликов, А.Н. Милитеев, В.В. Кочетков. № 2 001 610 454. 2001. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

  26. Свид. 2 017 660 266 о государственной регистрации программ для ЭВМ. Программный комплекс STREAM 2D CUDA для расчета течений, деформаций дна и переноса загрязнений в открытых потоках с использованием технологий Compute Unified Device Architecture (на графических процессорах NVIDIA). А.И. Алексюк, В.В.Беликов. № 2 017 617 252. 2017. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

  27. Свид. 2 020 660 617 о государственной регистрации программы для ЭВМ. Решатель задачи Римана для уравнений мелкой воды с разрывным дном. А.И. Алексюк, М.А. Малахов, В.В. Беликов. № 2 020 619 746. 2020. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

  28. Abreu C.H.M., Barros M.L.C., Brito D.C., Teixeira M.R., Cunha A.C. Hydrodynamic Modeling and Simulation of Water Residence Time in the Estuary of the Lower Amazon River // Water. 2020. V. 12 (3). 660. https://doi.org/10.3390/w12030660

  29. Alabyan A.M., Lebedeva S.V. Flow dynamics in large tidal delta of the Northern Dvina River: 2D simulation // J. Hydroinformatics. 2018. V. 20. № 4. P. 798–814. https://doi.org/10.2166/hydro.2018.051

  30. Aleksyuk A.I., Belikov V.V. The uniqueness of the exact solution of the Riemann problem for the shallow water equations with discontinuous bottom // J. Comp. Phys. 2019. V. 390. P. 232–248. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2019.04.001

  31. Aleksyuk A.I., Malakhov M.A., Belikov V.V. The exact Riemann solver for the shallow water equations with a discontinuous bottom // J. Comp. Phys. 2022. V. 450. P. 110801. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2021.110801

  32. Belikov V.V., Aleksyuk A.I., Borisova N.M., Vasilieva E.S., Norin S.V., Rumyantsev A.B. Justification of Hydrological Safety Conditions in Residential Areas Using Numerical Modelling // Water Resour. 2018. V. 45. Suppl. 1. P. S39–S49.

  33. Belikov V.V., Borisova N.M., Aleksyuk A.I., Rumyantsev A.B., Glotko A.V., Shurukhin L.A. Hydraulic substantiation of the Bagaevskaya hydro complex project based on numerical hydrodynamic modeling // Power Technol. Engineering. 2018. V. 52. № 4. P. 372–388. https://doi.org/10.1007/s10749-018-0962-9

  34. Glotko A.V., Aleksyuk A.I., Borisova N.M., Vasil’eva E.S., Fedorova T.A., Krasnopeev S.M., Nerov I.O., Belikov V.V. A numerical hydrodynamic 2D model of the Amur and Zeya Rivers and the Amur Liman // 4th Int. Conf. Status Future WORLDs LARGE RIVERS. M.: VGU, 2021. P. 230–231

  35. Goutal N., Maurel F. Proceedings of the 2nd workshop on dam-break wave simulation // Electricité de France. Direction des études et recherches. 1997. 192 p.

  36. Kornilova E.D., Morozova E.A., Krylenko I.N., Fingert E.A., Golovlyov P.P., Zavadsky A.S., Belikov V.V. Study of Channel Changes in the Lena River Near Yakutsk Based on Long-Term Data, Satellite Images and Two-Dimensional Hydrodynamic Model // Climate Change Impacts on Hydrological Processes and Sediment Dynamics: Measurement, Modelling and Management / Eds S. Chalov, V. Golosov, R. Li, A. Tsyplenkov. Cham: Springer Int. Publ., 2019. P. 104–109.

  37. Krylenko I.N., Belikov V.V., Fingert E., Golovlyov P.P., Glotko A.V., Zavadskii A.S., Samokhin M.A., Borovkov S. Analysis of the Impact of Hydrotechnical Construction on the Amur River near Blagoveshchensk and Heihe Cities Using a Two-Dimensional Hydrodynamic Model // Water Resour. 2018. V. 45. Suppl. 1. P. S112–S121.

  38. Lu. S., Tong C., Lee D.-Y., Zheng J., Shen J., Zhang W., Yan Y. Propagation of tidal waves up in Yangtze Estuary during the dry season // J. Geophysic. Res. Oceans. 2015. V. 120 (9). P. 6445–6473. https://doi.org/10.1002/2014JC010414

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Водные ресурсы

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал