close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Имитационное моделирование гидротехнических проектов на пойменных территориях

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
Васильченко Анна Анатольевна
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИХ
ПРОЕКТОВ НА ПОЙМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ»
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Волгоград ‒ 2018
Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего образования «Волгоградский государственный университет».
Научный руководитель:
доктор физико-математических наук,
профессор
Воронин Александр Александрович
Официальные оппоненты:
Першин Иван Митрофанович, доктор технических наук, профессор, Институт
сервиса, туризма и дизайна (филиал) ФГАОУ ВО «Северо-Кавказский федеральный университет» в г. Пятигорске, кафедра управления в технических системах, заведующий кафедрой.
Галкин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ
ВО Липецкий государственный технический университет», факультет
автоматизации и информатики, декан.
Ведущая организация: ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет» ,
г. Ростов-на-Дону.
Защита состоится «21» декабря 2018 г. в 16-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.029.09 при ФГАОУ ВО «Волгоградский государственный
университет» по адресу: 400062, г. Волгоград, пр-т. Университетский, 100,
аудитория 2-05 В.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Волгоградского
государственного университета и на официальном сайте: http://www.volsu.ru
Автореферат разослан «___» _______ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
доктор физико-математических наук
С.В. Феськов.
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Актуальность имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменных территориях обусловлена, с одной стороны, их важностью в экологическом отношении, с другой – междисциплинарностью задачи с различными видами неопределенностей. Природная неопределенность и пространственная распределенность паводковых процессов в поймах
крупных рек требуют анализа большого числа альтернатив территориального
распределения проектных работ в широком диапазоне внешних параметров.
Практически единственным адекватным способом исследования возможности
реализации и эффективности таких проектов является имитационное моделирование с использованием многослойных цифровых карт, вычислительных гидродинамических моделей, методов оптимизации. Вычислительная, алгоритмическая и методологическая сложность исследования таких проектов, возможность
поэтапной многолетней параллельной реализации нескольких из них в условиях
развития территорий требуют от системы имитационного моделирования
свойств расширяемости данных, алгоритмов и задач, реализуемых посредством
расширяемых баз данных, модульности и каркасности структуры компьютерных программ.
Научная актуальность проблемы обусловлена отсутствием общих методов
имитационного междисциплинарного моделирования сложных проектов,
включающего в себя геоинформационное, гидродинамическое моделирование,
решение задач оптимизации с пространственно распределенными параметрами и
критериями состояния. Практическая актуальность проблемы обусловлена
необходимостью совершенствования научного обоснования
стратегии
противодействия экологической деградации территории Волго-Ахтубинской
поймы (ВАП).
Цели исследования:
‒ разработка методов, алгоритмов и программного обеспечения имитационного моделирования и оптимизации гидротехнических проектов на пойменных территориях с использованием геоинформационных и гидродинамических моделей, эвристических и точных методов оптимизации;
‒ оценка оптимальных параметров и эффективности проектов в северной части ВАП на основе вычислительных экспериментов.
Достижение этих целей потребовало решения следующих основных задач:
3
‒
разработка комплексной модели состояния пойменной территории, включающей в себя:
o структурно-функциональную и причинно-следственную модели факторов воспроизводства природной системы пойменной территории;
o цифровые территориально распределенные, графовые и агрегированные модели рельефа, гидрологической, функциональной структуры и
критериев состояния пойменной территории;
‒ разработка комплексной имитационной модели оценки влияния структуры
и геометрических характеристик малых русел на динамику паводковых
процессов модельных пойменных территорий;
‒ разработка комплексной имитационной модели гидротехнических проектов изменения структуры русловой системы пойменных территорий,
включающей в себя:
o комплексную классификацию гидротехнических проектов на пойменных территориях;
o эвристические модели параметрической оптимизации проектов углубления малых русел и установки паводковых дамб;
o модель двухэтапной параметрической оптимизации проекта углубления малых русел и установки паводковых дамб на основе разностного
метода
динамического
программирования
и
адаптивного
гидрологического зонирования пойменной территории;
‒ разработка программного комплекса имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменных территориях;
‒ проведение вычислительных экспериментов по установлению оптимальных значений глубины русел и параметров паводковых дамб северной
части ВАП в широком диапазоне параметров паводкового гидрографа с
использованием разработанных моделей и программных средств;
‒ имитационное моделирование проектов углубления русел и установки паводковых дамб в северной части ВАП и проведение вычислительных экспериментов по оценке их эффективности с использованием разработанных
моделей и программных средств.
Методы исследования. В работе применяются методы когнитивного анализа, гидродинамического и геоинформационного имитационного моделирования, вычислительного эксперимента, методы оптимизации, теории графов, технологии распределенных вычислений.
4
Научная новизна. Созданы новые комплексные междисциплинарные
модели территориально распределенных и агрегированных параметров и
критериев состояния пойменной территории и проектов его изменения на
основе исследования зависимости паводковой динамики от структурных
параметров гидросистемы территории методами вычислительного эксперимента,
условной параметрической оптимизации в широком диапазоне внешних
параметров. На основе созданных моделей разработана оригинальная компьютерная система имитационного моделирования гидротехнических проектов на
пойменной территории. В результате проведения имитационного моделирования
проектов углубления русел и размещения паводковых дамб в северной части
ВАП исследована их эффективность на различных участках территории в широком диапазоне параметров паводкового гидрографа Волжской ГЭС.
Практическая значимость. Разработанные имитационные модели, результаты вычислительных экспериментов и программный комплекс имитационного моделирования могут найти применение при исследовании гидротехнических проектов на пойменных территориях.
Достоверность результатов обеспечивается корректным применением
методов математического моделирования и оптимизации и подтверждается совпадением результатов альтернативных вычислительных экспериментов с применением различных методов и технологий.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Разработана комплексная модель гидротехнических проектов на пойменной территории, включающая в себя:
‒ цифровые территориально распределенные, графовые и агрегированные
модели рельефа, гидрологической, функциональной структуры и критериев состояния пойменной территории;
– модели параметрической оптимизации проектов углубления малых русел и установки паводковых дамб на основе их территориальной и
структурной локализации.
2. Создан программный комплекс, реализующий оригинальные комплексные
модели состояния пойменной территории и проектов его изменения и позволяющий проводить имитационное моделирование гидротехнических
проектов в широком диапазоне параметров.
3. В результате вычислительных экспериментов с использованием созданного программного комплекса установлены оптимальные значения глубин
5
русел, максимизирующие площадь паводкового затопления экологически
значимой территории северной части Волго-Ахтубинской поймы, определяемые, с одной стороны, их территориальной и структурной локализацией, с другой – параметрами паводкового гидрографа.
4. В результате имитационного моделирования проекта углубления малых
русел северной части Волго-Ахтубинской поймы и вычислительных экспериментов
по
оценке
его
эффективности
установлена
разнонаправленность его действия для различных участков территории и
найдены зоны его наиболее эффективной реализации, минимизирующие
краткосрочный экологический ущерб для различных величин проектного
ресурса.
5. В результате вычислительных экспериментов получены оценки меры негативного влияния действующих дамб в малых руслах Волго-Ахтубинской
поймы на динамику паводковых процессов и эффективности проектов установки управляемых паводковых дамб для увеличения площади паводкового затопления ядра биосферной зоны.
Тема и содержание диссертации соответствует п.п. 1,4,5,8 паспорта
специальности 05.13.18 – «Математическое моделирование, численные методы и
комплексы программ».
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной
работы докладывались на 9-ой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2016)» (Москва, 2016), III международной школе-конференции «Геометрический анализ и его приложения (Волгоград, 2016), XII международной научно-практической конференции «Современные сложные системы управления» (HTCS 2017) (Липецк, 2017), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2017), Научной сессии ВолГУ
«Математика и информационные технологии» (Волгоград, 2017). Результаты
диссертационной работы включены в отчеты по следующим научным грантам:
научный грант Администрации Волгоградской области «Создание компьютерной системы поддержки принятия решений по улучшению гидрологического
режима северной части Волго-Ахтубинской поймы: проведение экспертиз гидротехнических сооружений, имитационное моделирование, синтез оптимальных
механизмов эколого-экономического управления» (2013 г., проект №286), грант
РГНФ и Администрации Волгоградской области № 14-12-34019 «Проектирова6
ние механизмов эколого-экономического управления территориями с низкой социально-экономической устойчивостью», грант РФФИ и Администрации Волгоградской области «Проектирование системы управления паводковым гидрологическим режимом северной части Волго-Ахтубинской поймы на основе геоинформационного и гидродинамического моделирования» (проект№16-48-340147,
2016-2017г.г.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 научных
публикациях, из которых 6 статей из перечня ВАК [1-6], 2 статьи в научных
журналах, входящих в наукометрическую базу SCOPUS [7,8], 4 статьи в сборниках международных конференций [10-13], 1 монография [9]. Получены свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018662005 от
25.09.2018 и базы данных № 2018621320 от 21.08.2018.
Личный вклад соискателя. На основе программно-математического
комплекса «ЭКОГИС» (цифровая модель рельефа ВАП и модель численного моделирования ее паводковых затоплений), созданного научным коллективом под
руководством проф. А.В. Хоперскова, автором создана комплексная адаптивная
имитационная модель гидротехнических проектов на пойменной территории,
включающая в себя комплексные адаптивные модели ее параметров и критериев
состояния, модель проектов его изменения, а также комплексная модель оценки
влияния структурных параметров ее гидросистемы на динамику паводкового затопления. Программные реализации цифровой кадастровой карты и иерархической русловой модели северной части ВАП проведены совместно соответственно с С.Е. Гребенюком и К.Е. Дубинко. Автором самостоятельно проведено имитационное моделирование всех проектов и выполнены вычислительные эксперименты по анализу их эффективности.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из Введения, 4
глав, Заключения, 10 Приложений и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 276 страниц машинописного текста.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.
Во Введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, научная и практическая ценность работы, описана структура диссертации.
В 1-ой главе диссертации проведен анализ методологических, алгоритмических и технологических основ имитационного моделирования гидротехни7
ческих проектов на пойменных территориях.
В §1
проведено исследование природно-антропогенных факторов
экологической деградации пойменных территорий с использованием методов
SWOT- и NEST анализа (с учетом особенностей пойменных территорий PESTанализ модифицирован в NEST- анализ заменой политических факторов (P)
природными (N)). Выявлена сложная структура разнонаправленно действующих
факторов динамики пойменных систем и ее сильная зависимость от внешних
условий. В результате анализа факторов деградации экосистемы северной части
ВАП установлено, что ее главным фактором является современный паводковый
гидрологический режим, являющийся следствием деградации объема паводков
и русловой системы.
В §2 описана модель многокритериальной оптимизация паводкового
гидрологического режима пойменных территорий. Выделены критерии
состояния системы и группы потенциально оптимизируемых параметров
паводкового гидрографа, русловой и функциональной структур территории.
Проанализированы постановки задач условной многопараметрической
оптимизации с учетом критериальной неопределенности и неопределенности
внешних параметров.
В §3 описаны структура, функции и особенности моделирования
гидротехнических проектов на пойменных территориях. Под проектом в
диссертационной работе понимается осуществляемый с определенной целью
комплекс действий из определенного их множества с заданными мерой
достижения цели, величиной проектных ресурсов, внешними ограничениями.
Комплексная модель проекта включает в себя модели цели, действий и их
альтернатив, связи между действиями, целью и ресурсными ограничениями,
модели эффективности, оптимизации, выбора единственной альтернативы.
Важным свойством комплексной модели
является наличие сложной
неопределенности, характеризующей состояние системы, цели и ограничения
проекта. Снятие этих неопределенностей при значительном числе и большом
диапазоне изменения внешних параметров, высокой алгоритмической сложности
расчета каждого варианта детерминированной модели требует создания
комплексной адаптивной имитационной модели проектов, являющейся системой
параметрических семейств моделей состояния системы и его изменения,
оптимальные значения параметров которых подбираются в ходе
предварительных вычислительных экспериментов.
8
В §4 проведен обзор элементов (моделей, методов и технологий)
комплексной модели: моделей когнитивного анализа, экологического риска,
оптимизации, геоинформационных и гидродинамических моделей.
Во 2-ой главе представлена комплексная имитационная модель гидротехнических проектов на пойменных территориях, включающая в себя комплексные модели параметров и критериев состояния пойменной территории (§1),
проектов его изменения (§2), а также комплексную модель оценки влияния параметров природной гидросистемы территории на динамику ее паводкового затопления (§3).
Представленная в §1 комплексная модель параметров и критериев состояния пойменной территории включает в себя:
1. таблицы параметров гидрографов, кадастровых типов и функциональных
индексов;
2. цифровые многослойные карты со следующими слоями:
‒ цифровая карта (модель) рельефа территории с русловой подсистемой
(ЦМР);
‒ цифровая кадастровая карта (ЦКК);
‒ расчетная цифровая карта экологических, социальных и хозяйственных
индексов (ЦКИ);
‒ расчетные цифровые карты гидрологических и функциональных зон;
‒ расчетные цифровые карты затоплений (ЦКЗ);
‒расчетные цифровые карты критериев состояния – гидрологических
экологических, социальных и хозяйственных ущербов (ЦКУ);
3. графовую модель русловой структуры;
4. модели агрегирования состояния системы и проектных эффектов.
Основой комплексной модели проектов является программноматематический комплекс «ЭКОГИС», созданный научным коллективом под руководством проф. А.В. Хоперскова, в состав которого входят модули построения
ЦМР и гидродинамического расчета ее паводкового затопления. Основой ЦМР
ВАП – сеточной функции высот рельефа b(xi,yj) (i=1,…, 944; j=1,…, 944) с размером ячейки 50м – послужили спутниковые данные ASTER и SRTM с разрешением до 20м в плоскости Земли и до 0,5 м по вертикали. Для построения ЦМР
используются геоинформационные системы (ГИС «Панорама», ГИС «Карта» и
др.), данные дистанционного зондирования Земли, спутниковых снимков, географических, административных, лоцманских карт, экспедиционных исследова9
ний. Численная модель динамики поверхностных вод комплекса «ЭКОГИС»
учитывает все основные факторы затопления территории. Реализованы параллельные OpenMP, CUDA–, OpenMP–CUDA–версии расчетного модуля метода
CSPH–TVD.
Логика функционирования комплексной модели проектов схематично
представляется в следующем виде. С помощью модуля «ЭКОГИС» строится
ЦМР пойменной территории. В ходе предварительных вычислительных
экспериментов определяются территориально распределенные альтернативы
реализации проектов (с изменением высот отвечающих руслам ячеек ЦМР), для
каждой из которых строятся виртуальные ЦМР, с использованием которых в
модуле «ЭКОГИС» рассчитываются ЦКЗ для различных параметров
паводкового гидрографа и (с использованием ЦКИ) соответствующие ЦКУ и
агрегированные значения целевых функций проектов. Далее проводится выбор
лучших альтернатив реализации проектов с возможным применением моделей
оптимизации.
При заданном рельефе карта затопления территории определяется
величиной постоянного расхода Q и длительностью t первой фазы паводка. В
диссертационной работе для ВАП использовались Q: 17000-30000м3/с, t: 320 сут. Для расчета целевых функций и ограничений проектов (величин
гидрологических
ущербов)
использовались
экологический
и
социохозяйственный территориально распределенные критерия
состояния
системы,
представленные
соответствующими
индексами
значимости.
Предполагается, что
экологический ущерб Uэкол пойменной территории
возникает от незатопления, социохозяйственный Uсх – от затопления ее
участков. В диссертационной работе используется простейшая модель ущерба,
согласно которой ненулевой краткосрочный гидрологический ущерб элемента
ЦМР равен величине его соответствующего индекса, а территориальное
агрегирование проводится простым суммированием.
Модель гидрологического зонирования создана для снижения
вычислительной сложности оптимизационных задач. Гидрологические зоны ‒
разделенные сухими (с некоторой погрешностью) границами прирусловые
участки пойменной территории. Формирование гидрологических зон
выполняется поэтапно: первичные зоны формируются модифицированным
алгоритмом Вороного как окрестности соответствующих русел, затем они
объединяются для выполнения условия независимого затопления. Погрешность
10
зонирования  рассчитывается на основе оценки величины трансграничных
потоков. Результатом реализации модели зонирования является набор карт
гидрологических зон с параметрами Q, t, . Функциональные зоны (социальные,
хозяйственные, экологические) – части территории с общим типом индекса –
созданы для моделирования целевых функций и ограничений проектов.
Частным случаем такого зонирования являются законодательно установленные
биосферные зоны природного парка «Волго-Ахтубинская пойма».
Иерархическая модель русловой структуры в виде иерархического графа,
соответствующего топологии русловой сети, используется для оптимизации
проектов.
В §2 представлена комплексная модель гидротехнических проектов на
пойменных территориях. Целью имитационного моделирования является поиск
допустимых и наиболее эффективных альтернатив реализации проектов.
Целевыми функциями исследованных проектов являются величины приращения
площади паводкового затопления ∆S и снижения агрегированного
экологического ущерба ∆Uэкол. Допустимые альтернативы определяются
условием незатопления социохозяйственных территорий (Uсх=0).
Простой альтернативой реализации проектов является изменение высот
одной (для проектов установки дамб) или нескольких (для проектов углубления
русел) русловых ячеек ЦМР. Для проектов углубления русел рассматривались
следующие простые альтернативы:
- участки главных русел гидрологических зон бассейна р. Ахтуба длиной
1км и 2 км (а);
- все русла участков территории (квадратов с длиной стороны 1-3км),
примыкающих к началам главных русел гидрологических зон (б);
- непрерывные участки русловой системы гидрологических зон с
переменной общей длиной (в).
Альтернативой реализации проекта является совокупность простых
альтернатив в пределах проектного ресурса. Для реализации численного
алгоритма двухэтапной оптимизации проектов множество альтернатив
разбивается на совокупности проектных альтернатив гидрологических зон. На
первом этапе оптимизации проводится вычисление зонного проектного эффекта
прямым численным гидродинамическим моделированием одновременно для
совокупности альтернатив, взятых по одной в каждой зоне. Затем в каждой зоне
проводится параметрическая оптимизация проекта методом полного перебора
11
альтернатив и строится функциональная зависимость «затраты-эффект». На
втором этапе проект оптимизируется на всей территории для каждого значения
общего проектного ресурса численным методом многошагового динамического
программирования.
В §3 представлена комплексная модель, предназначенная для исследования зависимости динамики паводковых вод пойменной территории от параметров ее русловой системы. Целью моделирования является анализ потенциальных
гидротехнических проектов, алгоритмов их оптимизации и оценка адекватности
построенных моделей. Здесь описан алгоритм и результаты построения гидрологических зон, удовлетворяющих критерию независимого затопления  = 0,050,25 для Q = 17-27 тыс. м3/с , t = 1-10 суток.
Для исследования зависимости параметров паводковой динамики от проектных действий созданы упрощенные русловые структуры территории ВАП
различной сложности. В результате проведенных экспериментов выявлены нестационарность русловой динамики в первой фазе паводка (10-12 суток), практическая независимость параметров установившихся течений от величины гидрографа, существенная зависимость русловой динамики и максимальных значений целевых функций проектов от рельефа территории и параметров русловой
структуры.
Проведены вычислительные эксперименты для исследования возможности
распределения водных потоков между локальными гидросистемами ВАП
бассейна ер. Гнилой-Пахотный посредством управляемых дамб, а также для
поиска оптимальной глубины малых русел. Установлено, что последняя определяется их удаленностью от магистрального водотока и монотонно растет с увеличением паводков. При этом чувствительность целевой функции к глубине русел падает с ростом паводков, совсем исчезая для их больших величин. Для
средних паводков оптимальная глубина главных русел локальных гидросистем
бассейнов рек Волги и Ахтубы равна 3-3,5м, малых русел второго уровня ‒ 1,52м, русел следующих уровней – 1-1,5м. Соответствующие величины для русел
бассейна ер. Гнилой-Пахотный, соответственно, равны 2-2,5м, 1,5-2м, – 1-1,5м.
Анализ эффекта русловой деградации, имитировавшейся уменьшением
глубины русел, показал ее отрицательное в целом затопление территории при
малых и средних паводках.
В 3-ей главе представлены результаты имитационного моделирования
гидротехнических проектов в северной части ВАП.
12
В §1 описаны результаты анализа проектов установки и ликвидации дамб.
Результаты моделирования затоплений показывают отрицательное суммарное
влияние дамб на паводковую динамику, которое, однако, становится ощутимым
лишь при достаточно большой длительности периода затопления. Влияние
каждой дамбы, как правило, локализовано ее ближайшей окрестностью, но в
отдельных случаях наблюдаются удаленные и разнонаправленные эффекты.
В целях изучения возможности увеличения затопления ядра биосферной
зоны ВАП проведено моделирование проектов установки дамб на ер. ГнилойПахотный для гидрографов Q(t)=20-23 тыс. м3/с, а также дамб в главных руслах
локальных гидросистем буферной и переходной зон с эвристическими
алгоритмами управления их сечением. Во всех экспериментах в целевой зоне
наблюдался небольшой позитивный эффект (∆S≤2км2 ), тогда как в буферной и
переходной зонах наблюдалось падение S на 2-5 км2. При этом суммарное
позитивное .изменение ∆Uэкол не превышало погрешности моделирования (5%).
В §2 представлены результаты нескольких серий вычислительных
экспериментов по оценке эффективности проектов углубления малых русел
ВАП.
Первая серия проводилась для 11 главных русел гидрологических зон
бассейна р. Ахтуба при различных величинах проектного ресурса R, длинах
простых альтернатив L и величинах углубления z с параметрами гидрографа
(Q = 17-27 тыс. м3/с, t = 3-10 сут.). Первой задачей экспериментов было
установление оптимальной величины z. Расчеты показали одинаковый характер
зависимости S(z) при изменении R и t (рис. 1). Оптимальная величина z* = 1 м
использовалась в дальнейших экспериментах. Найденные зависимости S(Q, t)
для различных L приведены на рис. 2. Анализ результатов вычислительных
экспериментов показал неэффективность проекта для крайне малых и больших
паводков. Второй задачей экспериментов являлось построение оптимальной
зависимости S(L). Для этого проведено упорядочение зон ВАП по
результативности проекта при различных Q и t для простых альтернатив (а)
(пример приведен на рис. 3). Как показали расчеты, оптимальный набор простых
альтернатив проекта существенно зависит от величины гидрографа.
Целью второй серии экспериментов являлся анализ эффективности
проекта углубления русел для простых альтернатив (б). Максимальная
суммарная величина S в результате имитации реализации проекта составила
11 км2 (15%) для Q(t) = 20 тыс. м3/с и z=1м L=2,5-3 км (рис. 4).
13
Рис. 1. Зависимость ∆S(z) для различных гидрографов.
Рис. 2. Зависимость S(Q, t).
Рис. 3. Зависимость S(L) для 20 зон, Q = 20000 м3/с, t=6 сут., l = 1 и 2 км
Зональные эффекты сильно дифференцированны и для некоторых зон
значительны (рис.5,6). В целом, проектные эффекты максимальны при умеренно
малых паводках и малы при крайне малых и больших паводках.
14
Рис. 4. Динамика S/S при Q=20000 м3/с; h=2 м; z=1 м, l =1; 1,5; 2; 2,5; 3 км
Рис. 5 S для гидрологических зон при Q=22000 м3/с; t =10 суток; h = 2м; z = 1м;
L = 1; 1,5; 2; 2,5; 3 км.
Целью третьей серии экспериментов была наиболее точная оценка
максимальной эффективности проекта восстановления малых русел ВАП с
альтернативами (в). Для поиска оптимальных сложных альтернатив
использовался метод двухэтапной оптимизации, описанный во 2-ой главе. В
качестве примера на рис.6 представлены результаты 1-го этапа для некоторой
группы зон, на рис.7 ‒ результаты 2-го этапа для территории с незначительным
эффектом межзонного затопления (кривая I). В таблице 1 представлен результат
2-го этапа оптимизации.
Эффективность двухэтапного алгоритма (стратегии I) существенно
ограничивается условием малости межзонного затопления. Поэтому
дополнительно была проведена оптимизация проекта со следующими простыми
альтернативами: главные зональные русла (стратегия II); участки главных
зональных русел зон длиной 1км (стратегия III); все зональные русла на
расстоянии 1км от начала главного русла зон (стратегия IV).
15
Таблица 1. Результат 2-го этапа оптимизации проекта для L=45км.
Номер зоны
16
Сумма длин
восстановленн 4,7
ых русел (км)
Эффект ∆S
1.9
зоны (кв. км)
24
23
28
20
21
37
13
5
15
34
36
8
29
4,2
4,2
3,5
3,3
3,0
4,8
3,3
2,3
3,4
2,3
2,1
1,9
3,2
1,7
1,7
1,6
1,4
1,1
1,0
0,9
0,8
0,8
0,7
0,7
0,6
0,6
Рис.6. Результаты 1-го этапа оптимизации проекта.
В дополнение к приведенным стратегиям были исследованы две составные
стратегии, сочетающие на первом этапе результаты стратегии I на территориях с
несущественным и стратегий II и III на территориях с существенным эффектом
межзонного затопления. На втором этапе в обоих случаях проводилась
оптимизация проекта для всей территории (стратегии V и VI). Именно эти
стратегии дали наибольшие эффекты. Результаты исследования приведены на
рис.7.
В целом, как показали расчеты, наибольший эффект проекта достигается
при умеренно малых паводках. Для крайне малых и больших паводках его
эффективность резко падает (рис.8). Выбор состава зон для реализации проекта
относится к сфере принятия решений. В целом результаты всех вычислительных
экспериментов показывают избирательную эффективность гидротехнических
проектов в отношении территории и параметров паводков.
16
Рис.7 Зависимости S(L) для стратегий I-VI.
Рис.8 Параметрические зависимости S ( L )
для оптимальной реализации стратегии II
при различных значениях Q и t=5 суток.
В 4-ой главе представлено описание
программного комплекса
имитационного моделирования гидротехнических проектов на пойменных
территориях. В §1 представлены структура и функции системы имитационного
моделирования (СИМ). Структура СИМ является совокупностью трех
комплексных расширяемых модулей. Структура первого (модуля состояния
системы) представлена на рис. 9. Внешние модули: ВМ1 ‒ построение ЦМР
реальной территории, ВМ2 ‒ моделирование гидродинамики паводковых вод,
ВМ3 ‒ построение ЦКК.
Модуль М1.1 «Зонирование территории» реализует ее деление на
гидрологические и функциональные зоны. Модуль «Русловая структура» (М1.2)
позволяет строить, визуализировать и редактировать актуальную и виртуальные
модели русловой структуры.
Структура второго (проектного) комплексного модуля, включающего 6
модулей, 2 из которых являются составными, представлена на рис. 10.
Модуль М2.1 задает вид проекта, пространственные и критериальные
ограничения, целевую функцию, величину проектного ресурса; точность
моделирования. Модуль М2.2 состоит из модулей М2.2.1, осуществляющего
поиск оптимальных характеристик русловой структуры, и М2.2.2, содержащего
алгоритмы изменения ЦМР. Модуль М2.3 состоит из 5 модулей, которые
задействуются все или выборочно. Алгоритмы построения проектных
17
альтернатив реализованы в модуле М2.3.1. Модуль М2.3.2 реализует алгоритмы
оптимизации проектов с простыми альтернативами (а) и (б). Задача модуля
М2.3.3 ‒ подготовка данных и проведение вычислительных экспериментов,
моделирующих реализацию проектных работ (получение наборов ЦМВР) и
паводковое затопление пойменной территории (получение ЦКЗ). М2.3.4 –
модуль 1-го,
М2.3.5 – 2-го этапа двухэтапной оптимизации проекта с
альтернативами (в).
Рис. 9 Структура комплексного модуля состояния системы.
В модуле М2.4 рассчитываются результаты проектов. Оценки допустимости
альтернатив, затрат и эффективности проектов выполняются в модуле М2.5.
Модуль М2.6 реализует итоговый выбор проектной альтернативы.
Третий комплексный (исследовательский) модуль состоит из модулей
состояния виртуальных систем М3.1-2 и виртуальных проектов М3.3. Структура
этого модуля представлена на рис.11.
В §2 дано описание иерархических слоев программного комплекса.
Нижний слой содержит входные и выходные данные (цифровые карты,
вспомогательные цифровые объекты, агрегированные величины и функции).
Второй слой представлен алгоритмами расчета цифровых карт и
вспомогательных цифровых объектов, агрегированных параметров и функций,
третий слой ‒ задачи (проекты и исследования).
18
Рис. 10. Структура комплексного модуля проектов.
Рис. 11. Структура исследовательского комплексного модуля.
Предусмотрено три режима функционирования СИМ.
1. Имитационное моделирование проекта: для выбранного вида проекта
задаются параметры его реализации, моделируется проект и
выполняется оценка эффекта.
2. Изменение СИМ: изменение моделей состояний и критериев системы,
добавление/ликвидация/изменение моделей проектов.
3. Исследование динамических свойств системы. Режим предназначен для
оценки адекватности работы алгоритмов СИМ и выявления общих
19
зависимостей для характеристик динамики русловой структуры.
В Заключении представлены выводы диссертационной работы и описаны
перспективы дальнейших исследований.
В Приложениях приведены иллюстрации результатов диссертационного
исследования, свидетельства о государственной регистрации программы для
ЭВМ и базы данных.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ
В процессе исследования были решены следующие задачи:
‒
разработана когнитивная модель социоприродохозяйственной
системы пойменной территории и проведен когнитивный анализ проблем
функционирования социоприродохозяйственных систем пойменных территорий;
‒
разработаны модели состояния, критериев состояния, русловой
структуры пойменных территорий;
‒
разработаны имитационные модели реализации и оптимизации
гидротехнических проектов в малых руслах пойменных территорий, включая:

проведение вычислительных экспериментов по оценке влияния
структуры
и геометрических характеристик малых русел на динамику
паводковых процессов на пойменных территориях;

проведение имитационного моделирования установки и ликвидации
дамб в малых руслах пойменных территорий и вычислительные эксперименты
по оценке их эффективности;

проведение имитационного моделирования гидротехнических
проектов восстановления малых русел пойменных территорий, вычислительные
эксперименты по оценке их эффективности;
‒
разработан программный комплекс имитационного моделирования
гидротехнических проектов пойменных территорий;
‒
проведено имитационное моделирование гидротехнических проектов
установки/ликвидации дамб и восстановления малых русел на территории
Волго-Ахтубинской поймы, выполнены вычислительные эксперименты по
оценке их эффективности.
В результате проведения имитационного моделирования проектов
установки/ликвидации дамб и углубления русел в северной части ВолгоАхтубинской поймы установлено, что их оптимальная реализация оказывает
умеренное позитивное влияние на гидрологический режим отдельных частей
20
поймы
при малых и больших паводках. Выявлены территории, где
гидротехнические проекты могут быть реализованы наиболее эффективно.
Дальнейшее развитие исследований может вестись в следующих
направлениях:
‒ добавление новых проектов;
‒ совершенствование созданной системы;
‒ снижение вычислительной сложности оптимизационных задач путем
создания приближенных методов быстрого расчета проектных эффектов;
‒ имитационное моделирование механизмов управления хозяйствующими
субъектами пойменных территорий;
‒
проектирование системы эколого-экономического управления
пойменными территориями.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
Статьи в изданиях, рекоммендованных ВАК РФ:
1.
Воронин, А.А. Анализ эффективности природовосстановительных
проектов в эколого–экономической системе "Волжская ГЭС – ВолгоАхтубинская пой-ма" / А.А. Воронин, А.А. Васильченко, С.С. Храпов, Е.О.
Агафонникова // Управление большими системами. Вып. 52. М.: ИПУ РАН, ‒
2014.
2.
Воронин, А.А. Проектирование системы эколого-экономического
управления
территорией
Волго–Ахтубинской
поймы
на
основе
гидродинамического и геоинформационного моделирования. / А.А. Воронин,
А.А. Васильченко, М.В. Писарева, А.В. Писарев, А.В. Хоперсков, С.С. Храпов,
Ю.Е. Подщипкова // Управление большими системами. Выпуск 55. М.: ИПУ
РАН, ‒ 2015. ‒ С. 79-102.
3.
Воронин, А.А. Когнитивный анализ и сценарно-имитационное
моделирование развития эколого-экономической ситуации в северной части
Волго-Ахтубинской поймы. / А.А. Воронин, А.А. Васильченко, О.С. Якушкина //
Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика.
Физика. ‒ 2015 г. ‒ №6 (31). ‒ С. 17-30.
4.
Воронин,
А.А.
Проектирование
механизмов
управления
гидрологическим
режимом
Волго-Ахтубинской
поймы
на
основе
геоинформационного и гидродинамического моделирования. / А.А. Воронин,
А.А. Васильченко, А.В. Писарев, С.С. Храпов, Ю.Е. Радченко // Вестник
21
Волгоградского государственного университета. Серия 1: Математика. Физика. ‒
2016. ‒ № 1 (32). ‒ С. 24-37.
5.
Воронин,
А.А.
Оптимизация
и
сценарно-имитационное
моделирование дина-мики структуры малых искусственных русел пойменных
территорий / А.А. Воронин, В.С. Бакулин, А.А. Васильченко, М.А. Харитонов //
Математическая физика и компьютерное моделирование. ‒ Волгоград:
Издательство Вол-гоградского государственного университета, ‒ 2017г. ‒Том
20.‒№4.‒С. 26-38.
6.
Воронин, А.А. Программный комплекс для имитационного
моделирования гидротехнических проектов на пойменных территориях. / А.А.
Воронин, А.А. Васильченко, К.Е. Дубинко, И.И. Исаева // Математическая
физика и компьютерное моделирование. ‒ Волгоград: Издательство
Волгоградского государственного университета, 2018. ‒ Том 21. ‒ №2. ‒ С. 5974.
Статьи в изданиях, входящих в БД Scopus и Web of Science:
7.
Voronin, A. Assessment of the impact of riverbeds depth in the northern
part of the Volga-Akhtuba floodplain on the dynamics of its flooding. / A. Voronin, A.
Vasilchenko, A. Svetlov, N. Antoyan // International Journal of Pure and Applied
Mathematics, ‒ Volume 110. ‒ No. 1 . ‒ 2016. ‒ P.183-192.
8.
Voronin, A. A project optimization for small watercourses restoration in
the northern part of the Volga-Akhtuba floodplain by the geoinformation and
hydrodynamic modeling. / A. Voronin, A. Vasilchenko, A. Khoperskov // Journal of
Physics: Conf. Series, ‒ vol 973. ‒ 2018. ‒ P. 012064 URL: http://iopscience.iop.org/
article/10.1088/1742-6596/973/1/012064/pdf.
Публикации в других изданиях:
9.
Модели и механизмы эколого-экономического управления слабоустойчивыми социоприродохозяйственными системами / под ред. Воронина
А.А. / Воронин А.А, Васильченко А.А., Писарев А.В., Кузьмин Н.М., Храпов
С.С., Гребенюк С.Е, Кругликова Ю.Е, Якушкина О.С,
Хоперсков А.В.
Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "Консалтинговое
агентство" (Волгоград). ‒ 2015 г. ‒ С.448.
Конференции:
10. Воронин А.А., Васильченко А.А., Писарев А.В., Храпов С.С. Анализ
эффективности гидротехнических проектов обводнения северной части ВолгоАхтубинской поймы на основе имитационного геоинформационного и
22
гидродинамического
моделирования.
//
Управление
развитием
крупномасштабных систем (MLSD'2016): материалы Девятой международной
конференции, 3-5 октября 2016 г., Москва, Россия в 2-х томах, М.: ИПУ РАН,
2016. Т. I. С. 343-345.
11. Воронин А.А., Васильченко А.А., Антонян Н.А. Влияние
геометрической структуры русел Волго-Ахтубинской поймы на динамику ее
паводкового затопления. // Геометрический анализ и его приложения: материалы
III Международной школы-конференции. 30.05- 03.06. 2016 г. Издательство:
Волгоградский государственный университет (Волгоград) 2016 г. С. 50-52.
12. Васильченко
А.А.,
Бакулин
В.С.
Оптимизация
проекта
восстановления малых русел северной части Волго-Ахтубинской поймы на
основе гидрологической структуризации территории. // Современные сложные
системы управления: Материалы XII международной научно-практической
коференции. 25-27 октября 2017 г. ‒ Издательство Липецкого государственного
университета, 2017. Том 1, С. 58-62.
13. Васильченко А.А., Воронин А.А., Хоперсков А.В. Оптимизация
проекта восстановления малых русел северной части Волго-Ахтубинской поймы
на основе геоинформационного и гидродинамического моделирования. //
Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики:
Сборник трудов Международной научно-практической конференции. Воронеж,
18-20 декабря 2017 г. ‒ Воронеж: Издательство «Научно-исследовательские
публикации», 2017. ‒ С. 1601-1608.
Свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ
1.
Васильченко А.А.
База данных для системы имитационного
моделирования гидротехнических проектов пойменной территории. //Свидет. о
гос. рег. программ для ЭВМ № 2018621320 от 21.08.2018 г.
2.
Васильченко А.А., Дубинко К.Е. Программа для имитационного
моделирования гидротехнических проектов пойменной территории. //Свидет. о
гос. рег. программ для ЭВМ № 2018662005 от 25.09.2018 г.
23
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
838 Кб
Теги
территории, моделирование, проектов, пойменных, гидротехнического, имитационных
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа