Моделиране на речните системи

1.Общ преглед на моделирането

Една речна система може да бъде моделирана чрез използване на два подхода

• Хидроложко моделиране
• Хидравлично моделиране

Хидроложко моделиране се прилага в речни басейни, в които се налага валежите се преобразуват в отток на водни количества в пунктове от реките.

Хидравличното моделиране дава възможност за проследяване на движението на високата вълна по дължина на речното течение, като се определят и котите на водната повърхност.

Хидроложките процеси са доста сложни, тъй като дъждът или снегът не отиват директно в речното корито, а следват концептуално различен път, преминавайки през различни трансформации докато стигнат до изхода на басейна.

Има различни начини на моделиране на тези процеси на пренос на вода от дъжд до воден отток в реките: хидроложките модели могат да са обобщени (при което един басейн се счита за едно цяло) или разпределени (басейна се раздробява на малки свързани сегменти (#1ha), в които се извършва моделиране на процесите и се комбинира с другите).

Обикновено в практическата хидрология се използват обобщените модели. Такъв е подходът и в настоящия проект.

Хидравличните модели (или така наречените хидродинамични модели ХДМ) са по-сложни: те се основават на хидродинамични уравнения за движение на водните маси, наречени уравнения на Сен-Венан. Тези уравнения се решават като се свързват с уравненията за непрекъснатост на течението.

Тези уравнения се решават чрез свързване на цели елементи с други такива и по този начин се прави описание на реките, в които обмяната на водите е предизвикана от законите на физиката. Отделните елементи може да са 1D (едномерни) или 2D (двумерни равнини). Един хидравличен модел се смята за завършен, когато са дефинирани граничните условия: Това означава, че всички крайни точки които свързват модела трябва да имат някакви начални условия, които определят тяхното поведение. Освен това всички модели трябва да притежават изходно условие или състояние от което се развиват до приетите крайните условия. В нашия случай използваме разклонен едноизмерен модел (обединяваме сегментите, които се вливат в основното течение) с възможни допълнителни потоци по горното течение.

2.Концептуален модел на р. Марица и р. Тунджа

По-долу е показана таблица на водосбора на р. Марица. Реката е моделирана и калибрирана на две части: от Белово до Пловдив и от Пловдив до турската граница. След като се завърши моделирането и калибрирането на всяка от двете части двата модела бяха обединени и валидирани като един общ модел модел.

Първа част на р. Марица

Втора част на р. Марица

Допълнителните профили бяха използвани от за хидрометричните станции (10).

2.1 Концептуален модел за Тунджа

По-долу е показана речната схема на водосбора на р. Тунджа. Тази схема е моделирана и калибрирана като едно цяло, тъй като няма достатъчно хидрометрични станции за да бъде разделена схемата на отделни участъци.

Име – хидродинамичен модел	# CRS	Дължина
Тунджа	89	194 km
Мочурица	7	19 km
Общо	96	213 km

Дължината е закръглена в км

Допълнителни профили биха могли да се използват от проекта на JICA ......(9) и от хидрометричните станции (4).

3. Изготвяне на модел

3.1 Изготвяне на хидроложки модел

Хидроложкият модел, който е използван в нашия случай, е НАМ модулът програмата Майк 11.

НАМ моделът е модел за непрекъснато, продължително проследяване на валежите, модел от детерминистичен, обобщен и концептуален вид. Той включва симулация на снеготопене в зони с различна надморска височина в рамките на водосбора.

НАМ представя различните компоненти на процеса валеж-отток при постоянно отчитане обема на водата в четири различни и взаимно свързани резервоара

Тези резервоари или “водни запаси” са във вид на Сняг, Повърхностни води, води в Коренова зона, и Подпочвени води. Използвайки валежите, потенциалното изпаряване и температурата като входни величини, моделът симулира натрупване на сняг и неговото стопяване, задържане на водата, всмукване на излишното количество вода, наводняване, образуване и захранване на подпочвени води и подземни течения.

В случай, че се използва снеготопенето като компонента, то НАМ модулът се нуждае от допълнителни параметри. Моделът използва температурния индекс за изчисляване на дневното снеготопене. Модулът снеготопене използва данните за температурата като входна величина, обикновено средната дневна температура. Потребителите имат възможност да избират опростения модул снеготопене или разширения, по-сложен модул в системата.

Всеки хидроложки модел в системата се определя първо на концептуално ниво използвайки разделянето на речния басейн на под-басейни. Моделите се конструират от ГИС (Географска Информационна Система) на речния басейн и под-басейни. Тяхното определяне (напр. първото изчисляване на параметри) преди калибриране се базира на разнообразните елементи предоставени от ГИС: Повърхност и форма на речния басейн, растителност, почвена характеристика, геоложка информация, склонове, наклон и т.н.

Калибрирането на хидроложкия модел се състои в уточняване на параметрите, които формират всеки един модел. За този модел наложихме използването на исторически наблюдавани данни. При стартирането на модела с реално отчетени данни вкарани в системата (дъжд, сняг, температура, всмукване на прекомерно количество вода, .....) и сравнявайки ги на изхода с наблюдаваните водни количества, ние оптимизираме разнообразните параметри за да минимизираме различията между резултатите на изхода и наблюдаваните данни в няколко измерени периода на характерни високи вълни.

Програмата Майк 11 осигурява полуавтоматични процедури за да улесни процеса по калибриране, който иначе е твърде дълъг и изморителен.

Калибриране на хидроложкия модел на р. Луда Яна

3.2 Изготвяне на хидравличен модел

Използваният модел, Майк 11, е еднодименсионален хидравличен модел, който моделира, както течението по основните речни корита, така и наводненията в заливните тераси, където са симулирани водни количества и запаси

Хидравличните модели са изградени чрез използване на точни детайли за коритата, коефициента на общия за отток, механизми за съхранение върху заливните тераси, както и значими съоръжения като мостове, бентове, диги, тераси, пресушени блата…

Детайлирана топография на застрашените от наводняване район до пресичането на наклона, до терасите или хълмовете се изисква за да се оформи и моделира хидравличната система.

Хидравличното моделиране е базирано на точки, които са свързани в топологична мрежа. За свързаните точки в основния канал и най-близката лява и дясна страна на заливната тераса, се използва имплицитна схема на резолюция на Св. Венан, базираща се на диференциални уравнения.

За точките в заливната тераса свързани с топографски структури като диги, улици, железопътни линии, чиито граници на водозадържане са определени, уравненията на Св.Венан са приложени, но в допълнение наводненията могат да се моделират чрез уравнения използващи преливащите водни количества.

Тъй като е използвано детайлно топографско описание и тъй като нивото на водата е главната променлива величина контролираща моделирането на теченията в разлива, топографската информация трябва да бъде достатъчно точна за да може моделът да е ефективен в прогнозите си. Точност до 10 см в стойностите на топографската структура като цяло обикновено е желателно за тези модели.

В зависимост от топографските отклонения на коритото на реката и укрепленията, разстоянието между напречните разрези могат да бъде от 2-3 километра до едва 200 метра.

Когато територията на разлива и наклона на речното корито са равни, какъвто е случая с долното течението на реките Марица и Тунджа, хидравличните модели са много чувствителни към неточности в топографията. Това означава, че отклонения в нивото на водата ( които могат да са резултат от не добро топографско изследване) между реалните данни и симулационните такива ще се разпространят надолу и нагоре по течението, което като цяло ще доведе до лош резултат.

Основният недостатък на хидравличните модели е качеството на използваната топографска информация за конструиране на топологията.

Другите елементи ( методи за решаване, имплицитни или експлицитни схеми….) стойностите на хидравличните коефициенти, макар и важни в процеса на калибрация и за пресмятане на приложимостта и постиженията, влияят по-малко на точността, благодарение на натрупания ноу-хау за тези средства.

Разработването на Хидравличния модел съдържа следните стъпки:

• Събиране и обработка на информация за напречното сечение и топографски данни.
• Оценка на терена, по който протичат водните количества и терена върху който се задържа водата в напречните профили и в разливите.
• Събиране и обработка на измервания за нивото и количеството на водния отток на хидрологични станции и станции разположени на притоците на реките от първи разряд.
• Оценка на хидравличната грапавина на речното дъно на базата на характеристика на растителността.
• Събиране на данни за изградените речни структури и начините на тяхното управление.
• Изграждане на модела чрез:
  • вкарване на границите на реката и нейните притоци с практическо значение;
  • вкарване на напречните профили;
  • вкарване на грапавината на речното дъно и на разливите;
  • вкарване на страничния и граничен приток;
  • моделиране на структурите;
  • вкарване на мрежата за изчисление;
  • определяне на рамките за изчисленията.
• Калибриране и валидация на хидравличния модел чрез изпробването му с данни от миналото и намаляване до минимум на отклоненията на модела от отчетените от станциите нива и количества на водата .

Трябва да се има предвид, че макар че калибрацията и валидацията на модела може да започне само когато цялата необходима информация е събрана, анализирана и обработена, стъпките преди проверката на модела не зависят една от друга и могат да бъдат изпълнени по отделно.

Програмата Майк 11 предлага полуавтоматични процедури за улесняване проверката на хидродинамичния модел.