Математичне моделювання в системі моніторингу затоплення і підтоплення сільгоспугідь і сільських населених пунктів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Інститут гідротехніки і меліорації УААН

Математичне моделювання в системі моніторингу затоплення і підтоплення сільгоспугідь і сільських населених пунктів

Ковальчук П.І., д.т.н.

Шевчук С.А., н.с.

Анотація

Запропоновано в системі моніторингу розробляти геоінформаційні системи з використанням методів гідродинамічного моделювання для аналізу затоплення і підтоплення сільгоспугідь і сільських населених пунктів.

Annotation

GIS Systems with used methods of hydrodynamical modeling for flooding and underflooding analysis of agricultural lands and settlements was proposed developing in system of monitoring.

Виклад основного матеріалу

Постановка задачі Актуальність даної роботи обумовлена необхідністю автоматизації процесів еколого-меліоративного моніторингу для вирішення задач контролю підтоплення та затоплення земель. Використання сучасних геоінформаційних технологій (ГІС - технологій) дозволяє підвищити якість і ефективність розв'язку ряду управлінських, технічних і технологічних задач при суттєвому зниженні сукупних витрат на вибір раціональних варіантів. В даний час виконуються інтенсивні дослідницькі роботи по розширенню області застосування таких технологій в рамках створення систем підтримки прийняття рішень при управлінні меліоративною галуззю.

Необхідність розробки ГІС-технологій для моделювання підтоплення. В сучасних умовах для просторового моделювання існує ряд специфічних комп'ютерних програм (спеціалізовані засоби просторового моделювання), призначених для моделювання в зонах повного та неповного насиченого руху підгрунтових вод і переміщення розчинних у воді компонентів, побудови ліній потоків. У цих програмах використовуються скінчено - різницеві рівняння, для розв'язування яких необхідно задавати початкові та граничні умови. Наприклад в моделі «Visual Modflow» - тільки крайові умови (граничні і початкові) на межі області, що розглядається. На практиці це вимагає спеціальних експериментальних досліджень, щоб задати граничні і початкові умови в області моделювання. У багатьох випадках задати такі умови на великій площі є досить складно, також це знижує точність моделювання. При вимірюваннях, які проводить гідрогеолого-меліоративна експедиція, є спостереження тільки за рівнем ґрунтових вод в окремих свердловинах. В даній програмі площа моделювання розбивається на розрахункові комірки і розрахунки проводяться окремо по кожній комірці, використовуючи скінчено-різницеві схеми розв'язання диференційних рівнянь.

Тому принциповою відмінністю нашої моделі від моделі «Visual Modflow» є те, що в цих моделях використовується принципово різна вхідна інформація. Так, розрахунки в нашій моделі проводяться не по окремих комірках (тривимірних комірках скінчено-різницевої схеми), а по масиву даних, з використанням формул гідрогеологічного розрахунку для певних перерізів і вимірювань в окремих свердловинах для побудови поверхні натягу з послідуючим визначенням гідроізогіпс.

Для моделювання потоку ґрунтових вод на Краснознам'янській зрошувальній системі, розроблена модель, що використовує метод скінчених різниць для двовимірного рівняння потоку в області зміни змінних із зовнішньою границею і внутрішніми границями. Області, обмежені границями, являють собою поверхневі водойми [1].

Задання крайових умов на внутрішніх границях ускладнює алгоритм розв'язування крайової задачі. Задаються умови вздовж берега моря, вздовж каналу, джерело, яке визначається втратами води з каналів, надходження води на вільну поверхню за рахунок поливу та опадів, поверхневі водойми з внутрішніми та зовнішньою границями [1].

Для даної моделі вже існує файл початкових умов. Створення нового файлу з початковими умовами вимагає значної кваліфікації користувача та значної кількості часу для його налагодження. На ознайомчому етапі користувачеві рекомендується працювати з існуючим файлом [1].

Виконується побудова карти положення поверхні ґрунтових вод та роздруковуються стандартними засобами MapInfo. Використовуючи файли можна побудувати ізолінії за допомогою пакета SURFER, та конвертувати їх в таблиці MapInfo для відображення на карті [1].

Виникла ідея створення нового підходу в розробці та застосуванні геоінформаційних технологій для просторово-часової оцінки гідрогеологічного стану меліорованих територій. Розроблена інформаційно-аналітична система щодо здійснення контролю меліоративного стану зрошуваних земель із застосуванням комп'ютерних технологій для підготовки і обробки вихідних даних та побудови карт рівнів ґрунтових вод (ізоліній - гідроізогіпс та гідроізоп'єз) [2].

Для даних цілей розроблена математична модель, алгоритм та програмне забезпечення, яке в даній роботі реалізоване у вигляді автоматизованого робочого місця (АРМ). Необхідність такої роботи викликана обмеженістю існуючих геоінформаційних технологій та необхідністю розробки специфічної математичної моделі. Кінцевим продуктом АРМ є побудова електронних карт рівня ґрунтових вод на основі методів гідродинамічного моделювання.

Інформаційно-аналітична система дозволяє систематизувати дані інженерно - геологічних та гідрогеологічних вишукувань, матеріали обстежень за мережею спостережних свердловин - для послідуючого аналізу гідрогеологічних та техногенних факторів розвитку підтоплення і вирішення різних практичних задач. Дана АРМ представляє собою інструмент просторового аналізу поширення і розвитку процесів підтоплення з урахуванням впливаючих факторів, з елементами прогнозування тенденцій підтоплення і його вплив на стан навколишнього середовища, модернізації та вдосконалення систем захисту територій від підтоплення та затоплення [3].

Алгоритм, структура та послідовність виконання розрахунків для АРМ наведені у блок-схемі (рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1 Принципова блок-схема АРМ та послідовність виконання розрахунків

геоінформаційний гідродинамічний затоплення сільгоспугіддя

Інформаційно-аналітична система складається з цифрової моделі рельєфу (ЦМР), яка представляє собою абсолютні відмітки поверхні землі, перенесені з топографічної карти масштабу 1:50 000 з відстанню між горизонталями рельєфу проведеними через 5 метрів, допоміжними горизонталями через 2,5 метрів та уточненими горизонталями через 1 метр з використанням паспортних даних спостережних свердловин та за допомогою розрахунків.

В моделі перед проектуванням необхідно створити гідрогеологічний переріз за обраним напрямком, в формулах розрахунку якого повинні бути відображені коефіцієнти фільтрації порід, що складають даний профіль, рівні або напори ґрунтових вод, переріз каналу, водойми чи інших споруд. Профіль створюється одного масштабу, як у горизонтальному, так і в вертикальному напрямках. Маючи такий гідрогеологічний переріз чи профіль, можна спроектувати тривимірну модель.

Гідрогеологічні розрахунки виконуються для всієї території спостереження за допомогою розрахункових формул [4], а значення відображаються у вигляді рівномірної сітки значень з точністю 25 метрів (по горизонталі).

В основу математичної моделі покладені наступні вхідні дані:

- планове розташування спостережних свердловин відповідного масштабу;

- дані спостереження за рівнем ґрунтових вод (за звітами гідрогеолого - меліоративних експедицій);

- звітні дані організацій Держводгоспу з водоподачі на зрошення та водовідведення зі зрошуваних територій;

- планове розташування та глибина закладання дрен та колекторів (за проектами колекторно - дренажних систем, що функціонують на зрошувальних системах півдня України).

При створенні моделі вільної поверхні ґрунтових вод за допомогою гідродинамічної моделі необхідно виконання наступних вимог:

- гідродинамічна модель повинна представляти наведену територію в певному масштабі без викривлень, тобто мати геометричну подобу;

- коефіцієнти фільтрації в моделі повинні бути відповідні до коефіцієнтів фільтрації в натурі, тобто між моделлю і натурою повинна існувати фізична подоба;

- граничні умови для моделі і натури повинні бути подібними, тобто повинно існувати динамічна подоба.

Для однорідного середовища умови фізичної подоби виконуються автоматично, тому при моделюванні в однорідному середовищі необхідно виконувати тільки геометричну і динамічну подобу.

Запропонований метод математичних розрахунків геоінформаційної системи, пройшов апробацію алгоритму для побудови карт на об'єктах Генічеського району Херсонської області (рис. 2). Виконані розрахунки та побудовані карти дають змогу досліджувати процеси багаторічної динаміки рівнів ґрунтових вод на основі гістограм, проводити їх аналіз як на протязі року так і за багаторічний період, класифікувати об'єкти за типами багаторічної динаміки [5].

Рисунок 2 Карта глибин залягання першого від поверхні водоносного горизонту (станом на 01.10.2006 р.) для Генічеського району Херсонської області

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сфера застосування ГІС-системи. Розвиток підтоплення сільськогосподарських угідь на півдні України - складний процес, в якому проявляється глобальний як регіональний та локальний вплив техногенних і природних факторів. В останні десятиліття його визначали такі антропогенні фактори, як побудова каскаду дніпровських водосховищ, мережі каналів та зрошення сільськогосподарських угідь, що часто проводилось необґрунтовано завищеними поливними та зрошувальними нормами. Крім того, в останні роки спостерігалися аномально великі атмосферні опади. В умовах зрошення, при сукупній дії техногенних та природних факторів, на півдні України спостерігається підвищення рівня ґрунтових вод.

Саме повне володіння достовірною інформацією про стан та розвиток підтоплення дасть змогу своєчасно відреагувати та провести невідкладні роботи щодо його ліквідації, з метою недопущення виникнення надзвичайної ситуації, яка періодично відбувається на півдні України та зменшити результат шкідливої дії води.

Розроблена інформаційно-аналітична система дозволить ефективно відслідковувати причина та наслідки виникнення підтоплення та поверхневого затоплення, допоможе детально виконувати оцінку зміни еколого-меліоративного стану території, обґрунтовувати проведення відповідних інженерно-технічних та організаційно технологічних заходів.

Висновки. Дискутується питання про відновлення постійно діючої моделі території Дніпро - Молочна, яка була створена за допомогою методу електрогідродинамічних аналогій (ЕГДА). Проте на даний час розроблені більш перспективні системи контролю меліоративного стану зрошуваних земель, що дають можливість використовувати існуючі дані спостережної мережі гідрогеолого-меліоративних експедицій і адаптувати такі дані існуючого моніторингу до математичної моделі просторово-часової оцінки в межах певної меліорованої території. Такі системи базується на основі методів гідродинамічного моделювання з використанням відповідних геоінформаційних технологій, що визначило перспективність такого підходу при прогнозуванні еколого-меліоративного стану території, а саме - рівнів ґрунтових вод та підтоплення [6].

Література

1. Стеля О.Б. Керівництво користувача пакету програм для моделювання потоку ґрунтових вод на Краснознам'янській зрошувальній системі. Версія 1.2. Київ 2006. С-73.

2. Ковальчук П.І., Шевчук С.А. Система прийняття рішень для забезпечення порядку використання меліорованих земель // Водне господарство України. Вип. 2. 2006. С. 22-27.

3. Ковальчук П.І., Шевчук С.А., Яковенко Ю.П. Наукові принципи та задачі інформаційно - аналітичної системи оцінки зміни меліоративного стану для захисту від підтоплення сільськогосподарських угідь. Таврійський науковий вісник. Випуск 45. ТОВ “Айлант”, Херсон. 2006, С.81-89.

4. Полубаринова-Кочина П.Я. Теория движения грунтовых вод. Изд. 2-е, Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1977, 664 стр.

5. Ковальчук П.І., Задорожний А.І, Шевчук С.А. Прогнозування процесів підтоплення сільськогосподарських угідь. «Вісник аграрної науки». Спеціальний випуск, квітень 2005. Київ. 2005, С. 25 - 28.

6. Відомчі будівельні норми України. Організація і ведення еколого-меліоративного моніторингу. Частина 1. Зрошувані землі. ВБН 33-5.5-0197.

Размещено на Allbest.ru