A numerical hydrodynamic model of a long segment of the Ural River and its application to assessing the inundation risk of residential areas by floods and breakthrough waves

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A numerical hydrodynamic model was constructed for the segment of the Ural River from the Iriklinskoe Reservoir (inclusive) to a site 30 km downstream of the Sakmara River inflow; therefore, the total length of the model reach was >700 km. To reduce the time of model development and to accelerate the calibration and variant calculations, the segment was divided into three successive parts of the channel, interacting through consistent boundary conditions. The simulation is carried out with the use of a domestic highaccuracy software package STREAM 2D CUDA, taking into account abrupt changes in bottom elevation and multifractional soil composition. The model was calibrated for constant water discharges. Calculations were carried out for a spring flood with an exceedance probability of 1% and a breakthrough wave of the Iriklinskii Hydropower System under two scenarios. Maximal water levels, depths, and inundation zones were obtained. An effect of a many-time increase in the steepness of the leading front of the flood wave within the domain was revealed.

Full Text

Restricted Access

About the authors

V. V. Belikov

Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: belvv@bk.ru
Russian Federation, Moscow, 119333

N. M. Borisova

Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences

Email: belvv@bk.ru
Russian Federation, Moscow, 119333

E. S. Vasil’eva

Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences

Email: vasilevaes@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119333

A. V. Glotko

Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences; Moscow State University of Civil Engineering (MGSU)

Email: vasilevaes@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119333; Moscow, 129337

T. A. Fedorova

Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences

Email: belvv@bk.ru
Russian Federation, Moscow, 119333

References

  1. Алексюк А.И., Беликов В.В. Моделирование течений мелкой воды с областями обмеления и разрывами дна // Журн. вычислительной математики и математической физики. 2017. Т. 57 (2). С. 316–338.
  2. Алексюк А.И., Беликов В.В. Свидетельство 2017660266 Российская Федерация. Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ. Программный комплекс STREAM 2D CUDA для расчета течений, деформаций дна и переноса загрязнений в открытых потоках с использованием технологий Compute Unified Device Architecture (на графических процессорах NVIDIA). № 2017617252. Опубл. 20.09.2017. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.
  3. Беликов В.В. Вычислительный комплекс “TRIANA” – генератор сеток треугольных конечных элементов в произвольных плоских областях. ГосФАП СССР. П007705. 1984.
  4. Беликов В.В., Алексюк А.И. Модели мелкой воды в задачах речной гидродинамики. М.: РАН, 2020. 346 с.
  5. Беликов В.В., Алексюк А.И., Борисова Н.М., Васильева Е.С., Глотко А.В. Особенности численного гидродинамического моделирования протяженных участков рек // Вод. ресурсы. 2023. Т. 50. № 4. С. 367–384.
  6. Беликов В.В., Алексюк А.И., Борисова Н.М., Васильева Е.С., Глотко А.В. Численное моделирование течений и деформаций дна в бьефах гидроузлов. М.: ЯНУС-К, 2023. 304 с.
  7. Беликов В.В., Алексюк А.И., Васильева Е.С. Численное моделирование волн прорыва. М.: РАН, 2023. 301с.
  8. Беликов В.В., Милитеев А.Н., Кочетков В.В. Свидетельство 2001610638 об официальной регистрации программы для ЭВМ. Комплекс программ для расчета волн прорыва (БОР). № 2001610454. 2001. Реестр программ для ЭВМ. 1 с.
  9. Беликов В.В., Семенов А.Ю. Метод Годунова с модификацией Колгана для численного решения двумерных уравнений мелкой воды // Тр. X конф. молодых ученых Моск. физ.-техн. ин-та (1985). Деп. в ВИНИТИ Ч. 1. № 5983-85 Деп. с. 179–214.
  10. Беликов В.В., Семенов А.Ю. Численный метод распада разрыва для решения уравнений теории мелкой воды // Журн. вычисл. математики и математ. физики. 1997. Т. 37. № 8. С. 1006–1019.
  11. Васильева Е.С., Беликов В.В. Численное моделирование каскадной гидродинамической аварии на Верхнеуральской и Магнитогорской плотинах // Гидротехн. стр-во. 2023. № 8. С. 36–44.
  12. Глобальная цифровая модель поверхности ALOS “ALOS World 3D-30m (AW3D30)” https://www.eorc.jaxa.jp/ALOS/en/dataset/aw3d30/aw3d30_e.htm
  13. Декларация безопасности ГТС Ириклинской ГЭС. Рег. № 22-22 (05) 0030-00-ГЭС. Утв. 21 декабря 2021 г. п. Энергетик, Оренбургская обл., 2021.
  14. Основные положения правил использования водных ресурсов Ириклинского водохранилища на р. Урале. М.: Мин-во мелиорации и водного хозяйства РСФСР, Упр. по регулированию использования вод. ресурсов, 1973.
  15. Проект правил использования водных ресурсов Верхне-Уральского, Магнитогорского и Ириклинского водохранилищ. Екатеринбург: СевКавНИИВХ, 2013 г.
  16. Aleksyuk A.I., Belikov V.V. The uniqueness of the exact solution of the Riemann problem for the shallow water equations with discontinuous bottom // J. Comp. Phys. 2019. V. 390. P. 232–248. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2019.04.001
  17. Aleksyuk A.I., Malakhov M.A., Belikov V.V. The exact Riemann solver for the shallow water equations with a discontinuous bottom // J. Comp. Phys. 2022. V. 450. P. 110801. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2021.110801

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Location of hydrodynamic model sections in the Ural River valley.

Download (162KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. View of the Iriklinsky hydroelectric complex from the lower pool.

Download (241KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Embankment and beach of Orenburg.

Download (197KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. DEM of the calculated section for models 1 and 2.

Download (410KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. DEM in the Orenburg region, model 3.

Download (456KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Fragment of the calculation grid and control points of model 1, schematization of the Iriklinsky hydroelectric complex.

Download (233KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Comparison of the dependencies of the volumes of the Iriklinskoye reservoir on the water level from the PIVR and obtained using a numerical model.

Download (72KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Results of calibration of model 2 at the Orsk hydropost.

Download (66KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Results of calibration of model 3 at the Orenburg hydropost.

Download (61KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Transformation of the flood hydrograph with a calculated flood probability of 1% along the length of the calculated section.

Download (100KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Maximum flow rates in the Orsk area during the accident at the Iriklinskaya dam according to scenario 1.

Download (925KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Maximum flood depths in the cities of Orsk (a) and Orenburg (b) during an accident at the Iriklinskaya dam according to scenario 1.

Download (800KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Transformation of the hydrographs of the breakthrough flood during the accident at the Iriklinskaya dam according to scenario 2.

Download (89KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».