АНАЛИЗ МЕТОДОВ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ КОЛЛЕКТОРА ПОВЕРХНОСТНОГО СТОКА В УСЛОВИЯХ ГОРНОГО РЕЛЬЕФА

Ввиду неоднородности рельефа, населенные пункты, расположенные в горных территориях, чаще всего подвержены подтоплениям из-за колебаний интенсивности стока, создающие нагрузку на сети ливневой канализации. Для решения данной проблемы возможность моделирования как самого стока, так и правильный подбор элементов сети (трубы, колодцы) – один из главных этапов при проектировании.

На сегодняшний день существует множество методов моделирования сетей поверхностного стока, применяемых как в России и за рубежом:

• детерминированные методы;
• стохастические методы;
• ГИС-моделирование.

Детерминированные методы применяются для точных расчетов, суть этого метода – представить процессы, наблюдаемые в реальный момент времени при помощи использования зависимостей между параметрами и переменными.

Стохастический метод моделирования применяется для прогноза гидрологических и гидрохимических величин: расходов уровней воды, скорости течения, концентраций веществ и др. [1, 4].

Моделирование стока на основе ГИС позволяет ускорить процедуру принятия проектных решений благодаря тому, что представляет разностороннюю информацию в простом и наглядном виде [2] – в виде цифровой модели рельефа (далее – ЦМР).

Принцип детерминированной модели заложен в программные комплексы SWMM (Storm Water Management Model) и HEC-HMS (The Hydrologic Modeling System).

SWMM (Storm Water Management Model) — это динамическая имитационная модель дождевого стока, используемая для единичного или долгосрочного (непрерывного) моделирования количества и качества стока преимущественно из городских районов. Компонент SWMM, отвечающий за сток, работает на нескольких участках водосбора, которые получают осадки и создают сток и выбросы загрязняющих веществ. Часть программы SWMM, отвечающая за моделирование стока, при построении профилей отображает уровень заполнения в системе труб, каналов, в устройствах для хранения/очистки уровень стока в конкретно выбранной зоне/подзоне сооружения, а в насосах и регуляторах – расход с тока. SWMM отслеживает количество и качество стока, образующегося в пределах каждого участка поверхности, где либо концентрируется, либо транзитом «пробегает» поверхностный сток, а также скорость, глубину потока и качество воды в каждой трубе и канале в течение периода моделирования, состоящего из нескольких временных этапов [7].

HEC-HMS (The Hydrologic Modeling System) предназначено для моделирования всех гидрологических процессов в речных системах. Программное обеспечение включает в себя множество традиционных процедур гидрологического анализа, таких потери осадков на проницаемых поверхностях (например, в грунтах, имеющих высокий коэффициент фильтрации), составление единичных гидрографов и гидрологический маршрут. HEC-HMS также включает процедуры, необходимые для непрерывного моделирования, включая эвапотранспирацию, таяние снега и учет влажности почвы. Расширенные возможности также предусмотрены для моделирования стока с привязкой к сетке с использованием линейного квазираспределенного преобразования стока (ModClark). Предоставляются дополнительные инструменты анализа для оптимизации модели, прогнозирования стока, уменьшения глубины и площади, оценки неопределенности модели, эрозии и переноса наносов, а также качества воды [8].

Среди программ, имеющих интеграцию с ГИС, можно выделить MIKE URBAN, Robur Topomatic и ZuluDrain.

MIKE URBAN - программа гидравлического расчета систем водоснабжения, канализации и ливневых стоков. Она создана на основе геоинформационной системы ArcGIS. Используется в проектных организациях, водоканалах и институтах исследовательского типа, которые производят анализ водоотведения и водоснабжения [9].

ZuluDrain – программа создает расчетную математическую модель сети, выполняет паспортизацию сети и на основе созданной модели решает информационные задачи, а также задачи топологического анализа, и выполняет различные гидравлические расчеты. Плюс данной программы в том, что она подходит для новичков ввиду простого интерфейса, проектирование трассы происходит автоматически по заданным параметрам [10].

Robur Topomatic. Инженерные сети – предназначены для проектирования сети и создания цифровой модели рельефа для дальнейшего выполнения гидравлических расчетов. Программный комплекс включает в себя как общие возможности программной линейки, так и специализированные функции [11]. Один из главных плюсов программы – работа одновременно в нескольких окнах (план, профиль и 3D вид), что позволяет оперативно вносить коррективы в модель при выявлении тех или иных недочетов.

В таблице 1 приведен краткий сравнительный анализ по каждой из рассмотренных программных обеспечений по основным признакам: интеграция с ГИС-системами, адаптация под российские нормативы, функционал, совместимость с другими ПО.

Таблица 1.

Сравнительный анализ программного обеспечения

По результатам анализа программ можно сделать выводы:

• для работы с ЦМР с целью дальнейшего анализа и наиболее точного построения модели сетей ливневой канализации подходит «Robur Topomatic. Инженерные сети», так как данное ПО имеет высокую интеграцию с ГИС-системами;
• адаптированы под российские нормативы (без дополнительной настройки) «Robur Topomatic. Инженерные сети» и «ZuluDrain»;
• для моделирования сети в условиях горного рельефа оптимально сочетать «Robur Topomatic. Инженерные сети» + «ZuluDrain» или «Robur Topomatic. Инженерные сети» + «MIKE URBAN», так как в первом случае анализ ЦМР и построение можно выполнить в «Robur Topomatic. Инженерные сети», а гидравлический расчет в «ZuluDrain», во втором случае анализ ЦМР выполнить в «Robur Topomatic. Инженерные сети», а расчет и построение в «MIKE URBAN» (при необходимости выпускной документации возможно построение на основе расчетов из «MIKE URBAN» в «Robur Topomatic. Инженерные сети»).