Том 336 № 12 (2025)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2025/12/4958
Имитационное моделирование речной гидравлики при проектировании инженерной защиты левобережной поймы на примере участка р. Томи у г. Томска
На примере участка р. Томи представлен результат имитационного 2D-моделирования речной гидравлики и влияние на него различных параметров расчета. Актуальность. Определяется тем, что полученные в исследовании результаты могут позволить глубже понять возможности и ограничения исследуемой моделирующей системы и дать научно обоснованные рекомендации по настройке модели в части использования различных расчетных алгоритмов и выбору размера расчетной сетки с целью минимизации затрат расчетного времени при сохранении требуемого качества результатов. Цель. В моделирующей системе HEC-RAS 2D используется несколько основных алгоритмов расчета. Цель исследования заключается в том, чтобы на примере участка р. Томи изучить, каким образом выбор определенного алгоритма расчета, а также размера ячеек расчетной сетки может повлиять на получаемый результат при создании моделей в рамках инженерных изысканий. Методы. Исследование построено на проведении серии компьютерных экспериментов, сравнении и интерпретации результатов имитационного моделирования исследуемого участка с использованием каждого из расчетных алгоритмов и двух вариантов размера расчетной сетки (условно, крупного и мелкого) для двух сценариев – фактического (в ситуации текущей застройки) и проектного (с учетом проектируемых противопаводковых дамб). Результаты и выводы. Получены таблицы смоделированных отметок уровней воды и времени, затраченного на вычисления по двум сценариям, смоделированы кривые свободной поверхности воды по каждому сценарию, сформулированы выводы и даны рекомендации по использованию расчетных алгоритмов модели и выбору размера ячеек расчетной сетки для целей инженерных изысканий.
Ключевые слова:
2D-моделирование речной гидравлики, влияние размера расчетной сетки на результат моделирования, влияние алгоритмов расчета на результат моделирования, рекомендации по настройке 2D-моделей для инженерных изысканий
Библиографические ссылки:
1. A comparison of the one-dimensional bridge hydraulic routines from: HEC-RAS, HEC-2, and WSPRO // Research Document № 41. – Davis, CA: Hydrologic Engineering Center, 1995. – 80 p.
2. US Army corps of engineers. HEC-RAS River analysis system. Hydraulic reference manual. Version 6.0 Beta. – Davis, CA: Hydrologic Engineering Center, 2020. – 520 p.
3. US Army corps of engineers. HEC_RAS River analysis system. 2D Modeling user’s manual. Version 6.0. – Davis, CA: Hydrologic Engineering Center, 2020. – 282 p.
4. Two-dimensional hydraulic modeling for highways in the river environment // Reference Document. – Austin, Texas: Federal Highway Administration, 2019. – 301 p.
5. Земцов В.А., Вершинин Д.А., Инишев Н.Г. Имитационное моделирование заторов (на примере р. Томь, Западная Сибирь) // Лёд и Снег. – 2014. – Т. 54. – № 3. – С. 59–68.
6. Земцов В.А., Вершинин Д.А., Инишев Н.Г. Исследования в области динамики потоков, стока наносов и русловых деформаций на сибирских реках методом компьютерного моделирования // Тридцатое пленарное межвузовское координационное совещание по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. Доклады и краткие сообщения. – Набережные Челны, 8–10 октября 2015. – С. 59–72.
7. Земцов В.А., Вершинин Д.А., Инишев Н.Г. Научное обоснование мероприятий по защите от наводнений, связанных с заторами льда на реках (на примере р. Томь, Западная Сибирь) // Роль снега и льда в природе и жизни людей: тезисы докладов участников симпозиума. – Новосибирск, 2014. – С. 31–32.
8. Разаренова А.Д., Крыленко И.Н. Оценка характеристик затопления в бассейне реки Томи при изменениях климатических факторов // Пятые Виноградовские чтения. Гидрология в эпоху перемен. – СПб.: Изд-во ВВМ, 2023. – C. 442–447.
9. Sabeti R., Stamataki I., Kjeldsen T.R. Reconstructing the 1968 River Chew flash flood: merging a HEC-RAS 2D hydraulic modelling approach with historical evidence // Geomatics, Natural Hazards and Risk. – 2024. – Vol. 15. – № 1. – 2377655. DOI: 10.1080/19475705.2024.2377655.
10. David A., Schmalz B. A systematic analysis of the interaction between rain-on-grid-simulations and spatial resolution in 2D hydrodynamic modeling // Water. – 2021. – Vol. 13. – № 17. – 2346. DOI: 10.3390/w13172346.
11. Ullah A., Haider S., Farooq R. Sensitivity analysis of a 2D flood inundation model. A case study of Tous Dam // Environmental Earth Sciences. – 2024. – Vol. 83. – № 213. DOI: 10.1007/s12665-024-11500-w.
12. Оценка чувствительности характеристик затопления к изменениям природных и антропогенных факторов на основе двумерной гидродинамической модели / И.Н. Крыленко, П.П. Головлев, Е.Д. Корнилова, А.А. Сазонов, Е.А. Фингерт // Третьи Виноградовские чтения. Грани гидрологии: сборник докладов Международной научной конференции памяти выдающегося русского гидролога Ю.Б. Виноградова. – СПб., 2018. – С. 898–902.
13. Сазонов А.А., Крыленко И.Н. Анализ чувствительности двумерной гидродинамической модели к изменению коэффициента шероховатости // Третьи Виноградовские чтения. Грани гидрологии: сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского гидролога Юрия Борисовича Виноградова под редакцией О.М. Макарьевой. – СПб, 2018. – C. 933–938.
14. Identifying manning roughness coefficient using automatic calibration method and simulation of pollution incidents in the Nile River / O. Abouelsaad, A. Hassan, M. Omar, R. Hinkelmann // Journal of Hydrology: Regional Studies. – 2024. – Vol. 55. – 101908.
15. Balzano A. Evaluation of methods for numerical simulation of wetting and drying in shallow water flow models // Coastal Engineering. – 1998. – Vol. 34. – P. 83–107.
16. Accuracy of Computed Water Surface Profiles // Research Document 26. – Davis, CA: Hydrologic Engineering Center, 1986. – 32 p.
17. Dahal G., Regmi R.K., Adhikari S. Optimization of model parameters of HEC-RAS 2D model on flood inundation mapping: a case study of Kankai River Basin // Proceedings of 10th IOE Graduate Conference. – 2021. – Vol. 10. – P. 879–887.
18. Pinos J., Timbe L. Performance assessment of two-dimensional hydraulic models for generation of flood inundation maps in mountain river basins // Water Science and Engineering. – 2019. – Vol. 12. – Iss. 1. – P. 11–18.
19. Casulli V., Cheng R.T. Stability analysis of Eulerian-Lagrangian methods for the one-dimensional shallow-water equations // Applied Mathematical Modelling. – 1990. – Vol. 14, P. 122–131.
20. Ковеня В.М., Чирков Д.В. Методы конечных разностей и конечных объемов для решения задач математической физики. – Новосибирск: Изд-во Новосибирского государственного университета, 2013. – 86 c.
21. Вершинин Д.А. Техногенные воздействия на вертикальные деформации русла и гидравлику потока: дис. …канд. геогр. наук. – Томск, 2005. – 188 c.
22. Arcement G., Schneider V. Guide for selecting Manning’s roughness coefficients for natural channels and flood plains. U.S. Geological survey water supply paper 2339. – U.S.: Government printing office, 1989. – 38 p.
23. Гидрологический ежегодник, 1969 г. Т. 6. Бассейн Карского моря (западная часть). Выпуск 0-3. Река Обь и ее бассейн до устья р. Иртыша / под ред. Ж.С. Попова. – Новосибирск: Изд-во Западно-Сибирского Управления гидрометеорологической службы, 1970. – 460 c.
24. Романовский Р.В. Двумерное моделирование гидравлики и решения по инженерной защите левобережной поймы р. Томь у г. Томска // Дистанционные методы зондирования Земли и фотограмметрия, мониторинг окружающей среды, геоэкология: XX Международный научный конгресс. Сборник материалов Международной научной конференции. – Новосибирск: 2024. – Т. 4. – № 1. – C.171–182.
25. Толстых М.А. Глобальные модели атмосферы: современное состояние и перспективы развития // Труды Гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации. – 2016. – Т. 70. – № 359. – C. 5–32.
26. Беликов В.В., Алексюк А.И. Модели мелкой воды в задачах речной гидродинамики. – М.: Изд-во РАН, 2020. – 346 с.
27. Ле Меоте Б. Введение в гидродинамику и теорию волн на воде. – Л.: Изд-во «Гидрометеоиздат», 1974. – 368 c.
28. Amiri S.M., Talebbeydokhti N., Baghlani A. A two-dimensional well-balanced numerical model for shallow water equations // Scientia Iranica. – 2013. – Vol. 20. – Iss. 1. – P. 97–107.
29. Bates P.D., Lane S.N., Ferguson R.I. Computational fluid dynamics: applications in environmental hydraulics. – Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2005. – 519 p.
