1.5 Выводы по главе 1

В главе 1 проведено ознакомление со способами построения планов течения, подробно разобраны методики расчета средних скоростей, плана течений турбулентных потоков.

2 Разработка программных модулей для решения плановой задачи

Информационная система состоит из нескольких подсистем: модуль планового сечения, модуль для расчета и анализа линий тока, модуль для расчета средних скоростей, модуль плановой задачи. Данные модули, включенные в одну информационную систему, могут решать ряд основных задач обработки данных характеристик русел, что существенно упрощает процесс анализа данных гидротехническим службам. Наглядная структурная схема изображена на рисунке 2.1.

Рисунок 2.1 – Структурная схема программного модуля решения плановой задачи

Основные этапы решения плановой задачи. Для решения плановой задачи необходима следующая исходная информация: данные русловой съемки изучаемого участка русла на основе которой рассчитываются локальные параметры сечений (поперечников) и модули сопротивлений расчетных участков.

Полученная информация является исходной для расчета распределения расходов воды на участках и падений уровня воды на них и далее линий тока и поля средних скоростей.

Расчёт параметров русла реки обычно производится в программных средах для математических расчетов, например, MATLAB или MATHCAD. Недостатком такого подхода является то, что специалисту в предметной области необходимо самому составить программу, что требует от него достаточных знаний в программировании, кроме того файлы программ имеют низкую защищенность от непроизвольных ошибок и изменений.

Последнее объясняется тем, что исполнение программ проводится в режиме интерпретации. Любой пользователь может открыть файл в среде MATLAB и изменить программный код.

С учетом изложенного, разработка программных модулей для расчета параметров русла и решения плановой задачи реализовано в виде исполняемых файлов, имеющих графический интерфейс.

Во избежание несанкционированного изменения кода программ, код подвергается компиляции на язык Си, при этом создается исполняемый файл *.exe.

2.1 Модуль для расчета и анализа локальных параметров сечения русла

Одной из важных составляющих анализа русловых процессов и обоснования гидротехнических работ является расчет параметров сечений и участков русла реки в состав которых входят ширина зеркала в сечении, смоченный периметр, площадь живого сечения, средняя глубина, гидравлический радиус, модуль расхода и модуль сопротивления участков русла. Перечисленные параметры рассчитываются на основе данных русловой съемки и являются исходными для решения плановой задачи.

2.2 Методика и алгоритм расчета локальных параметров участка русла

Для расчета используются результаты съемок глубин в различных сечениях русла (рисунок 2.2).

а)

б)

Рисунок 2.2 - Глубины в различных сечениях русла и схема сечения

Схема сечения приведена на рисунке 2.2, где Z₀(x) – линия рельефа сечения русла, В – ширина зеркала водной поверхности. – координаты точек измерения глубин,H_i – измеренные глубины, где . Для каждого сечения вычисляются локальные параметры.

(2.1)

– площадь живого сечения. Здесь ,Z₀(x) – функция, описывающая рельеф сечения, полученная в результате интерполяции. Для расчета формула (2.1) преобразуется к виду:

. (2.2)

Смоченный периметр (2.3) вычисляется по формуле (2.4):

, (2.3)

(3)

. (2.4)

Для вычисления гидравлического радиуса используется формула

(2.5)

При вычислении коэффициента Шези использована формула Маннинга в виде:

,

где n – коэффициент шероховатости участка русла.

Далее вычисляется модуль расхода:

. (2.6)

Расчеты по приведенным формулам проводятся для всех заданных сечений. В результате формируются исходные данные для расчета интегральных параметров русла.

В частности, среднего модуля расхода:

(2.7)

и модуля сопротивлений участков русла F_j. Здесь – количество участков русла.

Для расчета модуля сопротивления используется формула

. (2.8)

Таким образом, в результате выполнения алгоритма рассчитываются все необходимые параметры: площади живых сечений, модули расхода и модули сопротивления участков русла. Расчет производится с шагом, заданным пользователем. Для удобства анализа результаты выводятся в виде значений нормированных к бытовому уровню. Приведенный выше алгоритм реализован в виде программного модуля для информационной системы водных изысканий.