Моделирование

Моделирование поверхностного стока

Двумерное гидродинамическое моделирование дождевого и талого стока по технологии rain-on-grid: расчётный дождь подаётся прямо на сетку модели, а результат - карты глубин и скоростей, дефицит водоотведения и обоснованный выбор мероприятий инженерной защиты.

Получить консультацию

Зачем моделировать поверхностный сток

Затопление поверхностными водами в период снеготаяния или интенсивных дождей - самый частый водный риск для застроенных территорий и промышленных площадок. Особенно быстро паводок формируется в горных и предгорных районах: время добегания измеряется десятками минут, а сток концентрируется во временных водотоках, которых нет ни на картах, ни в гидрологических справочниках. Классический гидрологический расчёт даёт расход в заданном створе, но не отвечает на главные вопросы проектировщика: куда пойдёт вода, что и на какую глубину она затопит, справится ли существующая система водоотведения.

На эти вопросы отвечает двумерная гидродинамическая модель. Она рассчитывает движение воды по реальному рельефу - по склонам, тальвегам, улицам и руслам - и позволяет ещё до строительства увидеть картину затопления, найти узкие места и сравнить варианты водоотведения и инженерной защиты по эффекту и стоимости, а не по аналогии.

Мировая практика

Rain-on-grid: дождь подаётся прямо на модель

Традиционная схема «гидрологическая модель водосбора → гидрограф → гидравлический расчёт русла» плохо работает там, где водосборы малы, а сток растекается по площади. Мировая практика для таких задач - подход rain-on-grid (direct rainfall): хиетограмма расчётного дождя задаётся непосредственно на двумерную сетку, и модель в единой постановке воспроизводит формирование стока, добегание, концентрацию в понижениях и течение в руслах.

Мы реализуем этот подход в HEC-RAS 2D (Hydrologic Engineering Center, USACE) - общепринятом и верифицированном мировым сообществом комплексе, решающем уравнения мелкой воды (Сен-Венана) в полной постановке или в приближении диффузионной волны. Тот же класс задач в мировой практике решают TUFLOW, MIKE+, InfoWorks ICM и FLO-2D - методология едина, и наши модели выполняются по её требованиям: контроль критерия Куранта, анализ чувствительности к шероховатости, проверка водного баланса.

Задачи, которые решаем

Границы, глубины и продолжительность затопления при дожде, снеготаянии и паводке заданной обеспеченности (1-10 %)
Выявление уязвимых зон застройки и дефицита пропускной способности существующей ливневой канализации
Трассировка водоотводных каналов и нагорных канав, подбор сечений, укрупнённые объёмы земляных работ
Подпор от мостов, водопропускных труб, дамб и переездов; пропускная способность сооружений
Уровни водоёмов-приёмников стока: подпор озёр и прудов, работа сбросных сооружений, аварийные сценарии
Скорости течения по склонам - основа оценки эрозионной опасности и подбора креплений
Влияние планируемой застройки, горнолыжных трасс, искусственного оснежения на режим стока
Организация поверхностного стока площадок хвостохранилищ, карьеров и промышленных объектов

Что вы получаете

Научно-технический отчёт с обоснованием решений, готовый к прохождению экспертизы
Карты глубин, скоростей и границ затопления для расчётных сценариев - в ГИС-форматах для проектной документации
Расходы и объёмы стока в контрольных створах - нагрузки для расчёта ливневой канализации и очистных сооружений
Сравнение конкурентных вариантов инженерной защиты на одной модели - по эффекту, объёмам работ и эксплуатации
Рекомендуемые параметры для смежных расчётов: коэффициенты стока, время концентрации, расчётные скорости
Саму модель как рабочий инструмент: при развитии территории она актуализируется, а не строится заново

Как мы строим модель

1. Рельеф и данныеЕдиная ЦМР из топосъёмки, лазерного сканирования, батиметрии и проектных поверхностей (Civil3D); сети, сооружения, метеоданные

2. Расчётный дождьКривые редукции осадков по СП 32.13330.2018 и СП 33-101-2003; в модель принимается более неблагоприятная

3. СхематизацияРасчётная сетка с детализацией русел, зоны шероховатости Мэннинга по типам поверхности, инфильтрационные потери, сооружения

4. Поверка моделиМетки высоких вод и фактические затопления, сопоставление с аналитическими методами (ВСН 63-76, SCS TR-55), водный баланс

5. Прогнозные сценарииВарианты мероприятий на одной модели; сравнение по расходам и объёмам стока в контрольных створах

6. Отчёт и экспертизаОбоснование решений, рекомендации по мониторингу, сопровождение до положительного заключения

Параметры, которые определяют результат

Расчётный дождь Не «средний ливень», а хиетограмма заданной обеспеченности. Сравниваем кривые редукции по двум методикам и принимаем более неблагоприятную; результат сверяем с наблюдёнными суточными максимумами по ближайшим метеостанциям.

Шероховатость поверхности Коэффициенты Мэннинга задаются зонами по фактическим типам поверхности - от твёрдых покрытий (0,015) до склонов с высокой растительностью (0,12). К этому параметру модель наиболее чувствительна, поэтому он обосновывается отдельно.

Инфильтрационные потери Начальные потери и потери в процессе стока назначаются по данным изысканий: для твёрдых покрытий - нулевые, для ненарушенных грунтов - по их фильтрационным свойствам. Инфильтрация связывает модель стока с геофильтрационной моделью.

Сетка и шаг по времени Размер ячеек выбирается под задачу: русла и сооружения детализируются линиями уточнения. Шаг по времени (до долей секунды) контролируется критерием Куранта-Фридрихса-Леви - условием устойчивости численного решения.

Поверхностный сток рассматриваем во взаимосвязи с подземным: инфильтрационные потери дождевой модели - это питание геофильтрационной модели, а подтопление меняет условия формирования стока. Это позволяет согласовать мероприятия защиты от затопления и подтопления, а не проектировать их порознь.

Кейс

Всесезонный горный курорт, Южная Сибирь

Экстремальный ливень частично затопил инфраструктуру курорта и показал, что существующая ливневая канализация не справляется. В составе недавней научно-технической работы с участием наших специалистов выполнено гидродинамическое моделирование территории площадью около 20 км² для обоснования инженерной защиты от затопления поверхностным стоком. Объект защищён соглашением о конфиденциальности, поэтому название и точные характеристики не приводим.

Модель существующих условий

Rain-on-grid в HEC-RAS 2D на единой ЦМР из крупномасштабных топосъёмок и проектных поверхностей генплана. Водосборы временных водотоков - первые квадратные километры: классическая гидрологическая схема здесь неприменима.

Граничное условие - дождь 1 % обеспеченности по кривой редукции СП 32.13330.2018: менее чем за два часа выпадает практически вся суточная норма (порядка 80 мм) - величина, сопоставимая с абсолютным максимумом за почти вековой ряд наблюдений ближайшей метеостанции. Скорости склоновых потоков поверены аналитическими методами ВСН 63-76 и SCS TR-55.

Сравнение вариантов защиты

На модели существующих условий подтверждён дефицит пропускной способности ливневой канализации и выделены уязвимые зоны застройки у подножия склона. Затем на той же модели просчитаны три конкурентных варианта водоотводных каналов.

Эффективность вариантов сравнивалась по максимальным расходам и объёмам стока в контрольных створах на ключевых направлениях; для каждого варианта определены сечения каналов и укрупнённые объёмы земляных работ - готовая основа для выбора проектного решения.

Озеро-приёмник и мониторинг

Отдельно спрогнозирован подпор озера, принимающего сток: при штатной работе слива уровень поднимется менее чем на метр, при нарушении условий слива - порядка двух метров с затоплением прилегающей территории. Рекомендовано устройство аварийного перелива.

Для повышения достоверности последующих прогнозов рекомендована сеть автоматических метеостанций по трём высотным поясам склона и гидрометрия на ключевых водотоках - данные для детальной калибровки модели по мере развития территории.

Программное обеспечение и методики

Основной комплекс - HEC-RAS 2D (USACE): уравнения мелкой воды и диффузионной волны, rain-on-grid, сооружения в связке с двумерной областью. Гидрологические расчёты и обоснование расчётного дождя - по СП 33-101-2003 и СП 32.13330.2018 с построением кривых редукции осадков; расчёты сетей ливневой канализации - в комплексах класса SWMM. Исходные данные и результаты ведём в ГИС; проектные поверхности принимаем из Civil3D.

HEC-RAS 2D Rain-on-Grid HEC-HMS SWMM Civil3D ГИС

Нормативная и методическая база

СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» - метод предельной интенсивности, кривые редукции осадков для расчётного дождя
СП 33-101-2003 «Определение основных расчётных гидрологических характеристик» - максимальные расходы дождевых паводков и половодья
СП 104.13330.2016 «Инженерная защита территории от затопления и подтопления» - требования к обоснованию защитных мероприятий
СП 425.1325800.2018 «Инженерная защита территорий от эрозионных процессов» - оценка эрозионной опасности склоновых потоков
Постановление Правительства РФ от 18.04.2014 № 360 - Правила определения границ зон затопления, подтопления
ВСН 63-76 (Минтрансстрой) «Инструкция по расчёту ливневого стока воды с малых бассейнов» - аналитическая поверка скоростей склоновых потоков
HEC-RAS 2D Modeling User's Manual, Hydraulic Reference Manual (USACE) - методическая основа двумерных гидравлических расчётов
TR-55 Urban Hydrology for Small Watersheds (USDA SCS/NRCS) - время концентрации и скорости склоновых потоков

Связь с другими направлениями

Модель поверхностного стока - расчётное ядро анализа условий и расчёта поверхностного стока и обоснование мероприятий инженерной защиты территорий. Для хвостохранилищ она определяет приток к аварийным ёмкостям и нагрузку на водоотводные сооружения, а инфильтрационные потери передаются в геофильтрационную модель как питание подземных вод.

Смежные услуги

Расчёт поверхностного стокаАнализ условий и расчёт стока для проектирования водоотведения

Инженерная защита территорийЗащита территорий от подтопления и затопления

Геофильтрационное и геомиграционное моделированиеЧисленные модели - расчётное ядро наших проектов

Хвостохранилища и накопителиГидрогеологическое обоснование накопителей промышленных отходов

Частые вопросы

Чем моделирование отличается от аналитического расчёта стока?

Аналитические методики (СП 33-101-2003, методика ВодГео) дают расход в конкретном створе, но не показывают, куда пойдёт вода: где она накапливается, какие здания затопит, справится ли ливневая канализация. Двумерная модель рассчитывает поле глубин и скоростей по всей территории и позволяет сравнивать варианты защиты. Аналитические расчёты мы при этом не отбрасываем - они контролируют модель и служат её поверкой.

Что такое rain-on-grid?

Подход, при котором расчётный дождь задаётся непосредственно на двумерную сетку модели: формирование стока, добегание по склонам, концентрация в тальвегах и течение по руслам и улицам рассчитываются в единой постановке, без промежуточной гидрологической модели с назначением водосборов вручную. Сегодня это общепринятая мировая практика анализа дождевого затопления - особенно для территорий со сложным рельефом и множеством временных водотоков.

Какие исходные данные нужны?

Главное - качественная цифровая модель рельефа: топографическая съёмка, лазерное сканирование, батиметрия водоёмов, генеральный план с проектными поверхностями. Дополнительно - данные по осадкам ближайших метеостанций, сведения о существующих сетях водоотведения и сооружениях на водотоках, материалы изысканий для оценки инфильтрации. Полноту и достоверность данных оцениваем до начала моделирования и прямо говорим, чего не хватает.

Как вы проверяете модель, если на объекте нет гидропостов?

Малые водосборы почти никогда не изучены гидрологически. Поэтому проверка ведётся по совокупности признаков: воспроизведение фактических затоплений и меток высоких вод, сопоставление скоростей склоновых потоков с аналитическими методами (ВСН 63-76, SCS TR-55), контроль водного баланса и коэффициента стока, соблюдение критерия устойчивости численного решения. Дополнительно рекомендуем организовать метеонаблюдения и гидрометрию - это резко повышает достоверность последующих актуализаций модели.

Учитывается ли в модели ливневая канализация и водопропускные трубы?

Да. Трубы, коллекторы и переезды задаются как гидравлические сооружения, связанные с двумерной областью (в HEC-RAS - соединения SA/2D Area Connection), что позволяет оценить их пропускную способность, подпор и работу в связке с открытой сетью. Для детального расчёта внутриплощадочных сетей ливневой канализации применяются специализированные комплексы класса SWMM - результаты двумерной модели задают для них корректные нагрузки.

Сколько стоит модель поверхностного стока и какие сроки?

Зависит от площади территории, качества исходного рельефа и числа прогнозных вариантов. Типовой срок - от трёх недель до двух месяцев, включая отчёт. Пришлите топосъёмку и генплан - оценим объём работ и назовём сроки и стоимость в течение одного-двух рабочих дней.

Обсудить вашу задачу

Пришлите исходные данные - оценим объём задачи, предложим состав работ и сроки в течение одного-двух рабочих дней.

Получить консультацию