Программное обеспечение моделирования в условиях подтопления территории (для Зеленого острова Ростовской области)

В данной статье раскрыли необходимость применения цифровых платформ в основе использования программных комплексов (ПО «MIKE», «Topo to raster» в ArcGIS 10) в условиях подтопления территории. Программное обеспечение «MIKE» в процессе моделирования подтопления территории Зеленого острова Ростовской области обеспечивает эффективный и оптимальный процесс моделирования зон подтоплений при паводках, прорывах плотин и дамб обвалования, штормовых нагонных наводнений; использование двумерного моделирования пойменных участков, подтапливаемых побережий. Программное обеспечение в основе ИТ-инструмента «Topo to raster» в ArcGIS 10 обеспечивает построение и оформление чертежей зон подтоплений территории Зеленого острова Ростовской области. Оценка представленного программного обеспечения определяет, что в условиях развития цифровой платформы и актуальности проблем подтопляемых территорий Ростовской области представленный программный комплекс является эффективным и рациональным ИТ-инструментом для моделирования в условиях подтопления территории Зеленого острова Ростовской области.

Ключевые слова: моделирование, технологии, программное обеспечение, программный комплекс «MIKE», программный комплекс «Topo to raster» в ArcGIS 10, модель Рельефа, подтопляемые территории, зоны подтопления, полигоны, tin-модель, растр, Зеленый остров, Ростовская область.

This article revealed the need to use digital platforms in the basis of the use of software systems (software «MIKE», «Topo to raster» in ArcGIS 10) in a flooded area. The software «MIKE» in the process of modeling the flooding of the territory of the Green Island of the Rostov region, provides an effective and optimal process for modeling flooding zones during floods, breaks of dams and embankments, storm surge floods; use of two-dimensional modeling of floodplain areas, flooded coasts. The software at the heart of the IT tool «Topo to raster» in ArcGIS 10 provides the construction and execution of drawings of flood zones in the territory of the Green Island of the Rostov region. The assessment of the presented software determines that in the context of the development of a digital platform and the relevance of the problems of flooded areas of the Rostov region, the presented software package is an effective and rational IT tool for modeling in conditions of flooding of the territory of the Green Island of the Rostov region.

Keywords: modeling, technologies, software, software package «MIKE», software package «Topo to raster» in ArcGIS 10, Relief model, flooded areas, flooded areas, polygons, tin-model, raster, Green Island, Rostov region.

В условиях трансформации и интеграции экономических систем в цифровое пространство расширяют горизонты технологических прорывов и внедрения новаций в область градостроительства, архитектуры, дизайна и проектирования. Строительство в Ростовской области зачастую ведется в сложных инженерно-геологических условиях, характеризующихся наличием просадочных грунтов I или II типа. Для обеспечения эксплуатационной надежности зданий и сооружений на таких грунтах, согласно действующим нормам, требуется разрабатывать и реализовывать проекты усиления (упрочнения, закрепления) грунтовых оснований [2, 3, 6, 7]. Высокие планы согласно документа «Стратегия развития 2035» в Ростове-на-Дону на Зеленом острове планируется реализовать два проекта — восточный обход города со строительством на остров и телебашню. С этой целью обход и съезд планируется сделать для формирования дополнительной транспортный связи с левобережной зоной (областной и местный бюджет составит — 2,5 млрд. руб.), а само строительство определено на 2027–2030 года. Эксперты, геодезисты, представители общественности склоняются к единому мнению, что территория непростая, много проблем, так как это место для скопления субкультур, и несанкционированные свалки, и опасные заброшенные постройки на территории, и сама коммуникация между островом и городом. Зеленый остров — это рекреационная зона со своим потенциалом развития, которая должна быть освоена в условиях кропотливой работы архитекторов, и строителей, чтобы с учетом всех особенностей создать благоприятную общественную территорию [5]. Проведение инженерно-изыскательных работ по определению границ зон затопления (подтопления) в соответствии с Постановление Правительства Российской Федерации от 18.04.2014 № 360 «Об определении границ зон затопления (подтопления)» [1] в рамках применяемых технологий и методических расчетов необходимо проводить в отношении территорий прилегающих к устьевым участкам водотоков, затапливаемых в результате нагонный явлений расчетной обеспеченности; территорий, прилегающих к естественным водоемам, затапливаемых при уровнях воды однопроцентной обеспеченности; территорий, прилегающих к водохранилищам, затапливаемых при уровнях воды, соответствующих форсированному подпорному уровня воды водохранилищ и т. д.

Зеленый остров расположен в нижнем течении реки Дон, длина которого 4 км и ширина 1,5 км, который покрыт древесной и луговой растительностью. Протяженность водного объекта Дон с типом х. Калинин (8,24) км; г. Цимлянск (4,2) км; г. Волгодонск (8) км [4]. Технология работ при проведении инженерно-гидрологических изысканий на этапах проектирования включает: обследование и рекогносцировка участка реки Дон; определение координат и отметок высок урезов и дна реки; выявление и обмер гидротехнических сооружений на реке; построение и расчеты морфологических створов на реке (проведение гидрологических расчетов и определение границ зон вероятностных затоплений).

В настоящее время для моделирования подтопления территории Зеленого острова, находящегося в нижнем течении реки Дон, предлагается использовать специальное программное обеспечение «MIKE» для детального процесса моделирования зон затоплений при паводках, прорывах плотин и дамб обвалования, штормовых нагонных наводнений. Программный комплекс «MIKE» позволяет при необходимости двумерного моделирования пойменных участков, затапливаемых и подтапливаемых побережий и синхронного одномерного моделирования речной сети Дон.

Преимущества инструментария программного комплекса «MIKE» позволяют совершенствовать ИТ-процессы на этапах проектирования и моделирования [4]: а) добавлять пойменные участки прибрежные озера и водохранилища; плановую информацию к существующей модели; б) на разных этапах заменять существующую квазидвумерную модель разветвленной речной сети реальной плановой модельной областью; в) повторно использовать модельные области для описания дополнительных мест гидравлического взаимодействия руслового и пойменного потоков; г) осуществлять процесс подготовки модельных данных и анализ результатов расчетов в единой «бесшовной» ИТ-среде (ПК), при этом сохраняя привычные особенности интерфейсов.

При помощи программного комплекса «MIKE» является возможным осуществлять камеральную обработку полученных результатов подтопляемых территорий с построением табличных форм и графиков. Графическое сопровождение позволяет структурировать и синхронизировать этапы технологического моделирования зон затоплений и подтоплений территорий с учетом влияния различного рода и типа факторов.

Методика построения и оформление чертежей зон затоплений и подтоплений территории Зеленого острова возможно использовать ИТ-инструмент «Topo to raster» в ArcGIS 10. В качестве основной исходной основы содержится цифровая модель рельефа формат «tif» (Таблица 1), которая получается в результате обработки материалов аэрофотосъёмки с беспилотных летальных аппаратов.

Краткое описание некоторых алгоритмов цифровой модели рельефа

Примечание: *в данном растре для водных поверхностей значение z — программным путем заменяется на значение 0.

Алгоритм последовательности действий программной обработки исходных данных при построении зон подтопления включает [4]: а) построение буферных полигонов 5, 10, 20, 50 и 100 метров вокруг полигонов затопления соответствующей вероятности; конвертация контуров построенных полигонов в линии; б) построение tin-моделей по створам для 5, 10, 20, 50, 100м; в) интерполяция линий контуров по соответствующим tin-моделям; г) построение поверхности подземных вод путем построения tin- модели по интерполированным линиям контуров; д) конвертация полученной tin-модели в растр; е) расчет разности между поверхностью и растром; ж) выделение со значениями ниже 0,3, 2,0 и 3,0; з) конвертация выделенных классов в полигоны; и) агрегация полигонов; к) сглаживание полигонов. Полученные полигоны возможно исправить, к примеру, в пределах зоны подтопления меньшей вероятности полностью помещались зоны большей вероятностью.

Оценка представленного программного обеспечения определяет, что в условиях развития цифровой платформы и актуальности проблем подтопляемых территорий представленный программный комплекс является эффективным и рациональным ИТ-инструментом для проектирования и моделирования в условиях подтопления территорий Зеленого острова, так как дает возможность оценить и исследовать в полном объеме характер гидрологического режима общественной территории в периоды подтопления территории, который по своему предназначению является правильным и оптимальным решением для обеспечения исполнения градостроительных регламентов территорий; выделения части территорий, попадающих в зоны подтопления; является полноформатной ИТ-системой содержащей промежуточную и финальную документацию для получения итогового результата; снабжает процесс моделирования быстрым поиском и визуализацией необходимой и точной информацией по границам зон подтопления территории, учитывая зоны затопления Зеленого острова в Ростовской области.

Литература:

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 18.04.2014 № 360 «Об определении границ зон затопления (подтопления)», СПС, КонсультантПлюс, 2020.
2. Мартыненко И. А., Прокопова М. В., Капралова И. А. Реконструкция зданий, сооружений и застройки. — Ростов н/Д.: РГУПС, 2017. -221 с.
3. Черный А. Т. Исследование и разработка эффективных методов контроля качества силикатизации лессовых грунтов: дис. канд. техн. наук:05.23.02. Ростов-на-Дону, 1981. 198 с.
4. Описание применяемых технологий, методик расчетов и других особенностей работ, использованных при выполнении государственного контракта № Ф.2019.155699. Презентация ООО Управляющая компания ДонГИС.
5. Источник обращения: https://rostov.aif.ru/society/jkh/planami_po_razvitiyu_zelyonogo_ostrova_podelilis_v_rostove-_na-donu?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop. 2020.
6. Prokopov A., Prokopova M., Rubtsova Ya. The experience of strengthening subsidence of the soil under the existing building in the city of Rostov-on-Don // MATEC Web of Conferences. Vol. 106. 2017. URL:doi.org/10.1051/matecconf/201710602001.
7. Dolzhikov P., Prokopov A., Akopyan V. Foundation Deformations Modeling in Underworking and Hydroactivated Rocks// Advances in Intelligent Systems and Computing. Vol 692. 2018. URL: doi.org/10.1007/978–3-319–70987–1_69.