Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Оптимизация управления режимом грунтовых вод на застроенных территориях (на примере Новгородского Кремля)

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Оптимизация управления режимом грунтовых вод на застроенных территориях (на примере Новгородского Кремля)"

Р Г Б ОД

I 5 - МИНСТРОЙ РОССИИ

Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве. (ПНИИИС)

На правах рукописи УДК 721.011+556.3.06

ЛРЕФЬЕВЛ ЕЛЕ ИЛ ВАЛЕНТИНОВНА

ОПТИМИЗАЦИЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ГРУНТОВЫХ ВОД НА ЗАСТРОЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ (НА ПРИМЕРЕ НОВГОРОДСКОГО КРЕМЛЯ).

(Специальность: 04.00.06-Гидрогеология)

Автореферат

диссертации па соискание ученой степени кандидата технических паук

МОСКВА-1994

Работа выполнена в Производственном институте по инженерным изысканиям России.

и научно-исследовательском в строительстве МИНСТРОЯ

Научный руководитель : доктор технических наук, профессор

Е.С.ДЗЕКЦЕР

Официальные оппоненты : доктор технических наук, профессор

Н.П.КУРАНОВ

кандидат геолого-минералогических наук А.И.АРБУЗОВ

Ведущая организация : "Спецпроектреставрация"

Защита состоится "3"1 " 199^ года в У?) часов

30 минут на заседании специализированного совета К.033.11.01 в Производственном и научно-исследовательском институте по

инженерным изысканиям в строительстве (ПНИИИС) по адресу: 108058, г.Москва, Окружной проезд, 18.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПНИИИС по тому же адресу.

Автореферат разослан "се.м'ьря 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета ПНИИИС каид.геол.-мин.наук

О.П.ПАВЛОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена разработке, обоснованию, реализации и применению методики оптимального управления уровнем грунтовых вод на застроенных исторических территориях (ЗИТ).

Актуальность проблемы. Процесс подтопления застроенных территорий принял в последние годы массовый характер, что потребовало проведения различных осушительных мероприятий, в том числе, активного применения дренажных систем. Вместе с тем, в результате проявления дренажного эффекта интенсифицируется целый ряд не менее опасных инженерно - геологических процессов: осадки грунтов, оснований сооружений, суффозия, проседания земной поверхности и т.д., что ведет к дополнительным деформациям зданий. Применение же дренажных систем на исторических территориях имеет существенную особенность, так как подтапливаемые памятники архитектуры (ПА) требуют проведения водопонизительных работ, а памятники археологии - культурный слой (КС) - сохранения высокого положения грунтовых вод (вода является естественным консервантом для КС). Использование здесь стандартных методов проектирования дренажных систем представляет опасность для КС.

Поэтому, наличие на исторических территориях двух различных по своим требованиям к режиму грунтовых вод защищаемых объектов опасности (ПА и КС), привели к необходимости разработать принципиально новый подход к сохранению и поддержанию требуемой гидрогеологической обстановки (одновременное сохранение памятников архитектуры и археологии), позволяющий в каждом конкретном случае получать необходимое компромиссное решение.

Отсутствие к настоящему моменту постановок таких задач, способов и алгоритмов их решения обусловили необходимость и актуальность данной работы.

Цель работы состоит в разработке методики оптимизации управления уровенным режимом грунтовых вод, а в основном, его регулирования, на застроенной исторической территории. Методика включает постановку задачи, разработку алгоритмов ее решения, на основе применения оптимизационных математических методов, создание необходимого программного обеспечения.

Основные задачи исследований включают:

• выявление особенностей формирования гидрогеологически: условий на ЗИТ;

• осуществление общей инженерно - гидрогеологической и матема тической постановки задачи регулирования режима УГВ с помо щью дренажных систем в условиях конфликтной гидрогеологи ческой ситуации;

• разработку методики оптимизации регулирования режима грун товых вод на ЗИТ;

• создание гибкой проблемно - ориентированной компьютерной си стемы для реализации указанной методики;

• применение полученной методики и ее апробация при выполнении оптимизационных расчетов дренажных систем в конкретно! исторической территории.

Научная новизна:

1. Разработаны основные методические положения выработки оптимального управляющего (регулирующего) решения при использовании дренажных систем на исторических территориях.

2. Впервые предложена постановка многокритериальной задачи оптимизации управления (в смысле регулирования) режимом грунтовых вод застроенной исторической территории с учетом сохранения увлажненного культурного слоя и осушения заглубленных конструкций фундамента памятников архитектуры.

3. Разработаны математические алгоритмы решения поставленной задачи археологе - и архитектурноэкологической оптимизации на основе математических методов оптимального управления, теоретике - игровых подходов к получению компромиссного варианта, численных методов решения прямой и сопряженной задач для получения градиента оптимизирующего функционала и определения оптимальных управлений.

4. Разработана гибкая компьютерная система управления режимом грунтовых вод, позволяющая оперативно вырабатывать и корректировать управляющие воздействия (УВ) в гидрогеологически - конфликтных ситуациях.

Методы исследований в основном теоретические, базирующиеся на использовании уравнения Буссинеска для фильтрационных расчетов дренажных систем и методов оптимального управления системами с распределенными параметрами для решения задачи археологе - и архитектурноэкологической оптимизации, а также численных методов решения дифференциальных уравнений и экстремальных задач.Исследования включают анализ и обобщение экспериментальной, а также фондовой гидрогеоинформации.

Практическая значимость работы состоит в использовании предложенной методики для оперативной выработки и корректировки вариантов оптимального компромиссного управляющего воздействия (например, дренажа), направленного на решение инженерных задач защиты памятников от подтопления на исторических территориях.

Достаточно общая постановка задачи и разработанные алгоритмы позволяют применять методику не только на исторических территориях, но и в других случаях, где возникают противоположные требования со стороны разных объектов опасности к необходимой норме осушения.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на научной конференции в Одессе ("Современные инженерно - геологические и гидрогеологические проблемы территорий городов и городских агломераций", 1987г.), на научно - техническом семинаре в .г.Новгороде при Гендирекции Новгородреконструкции (1993г.).

По теме диссертации опубликовано 4 работы, результаты и расчеты использованы в нескольких научных отчетах отдела гидрогеологических исследований ПНИИИС (1992 - 1994гг.) для конкретных объектов.

Внедрение. Оптимизационные геофильтрационные расчеты были выполнены для дренажей на территории Новгородского Кремля и приняты в качестве необходимого обоснования проектных решений.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (97 наименований), содержит 163 страницы, в том числе, 54 рисунка и 4 таблицы.

Защищаемые положения:

1. На подтапливаемой застроенной исторической территории, формирующаяся в процессе ее эксплуатации гидрогеологическая сн-

туация, определяется как конфликтная, т.к. сохранение памя: ников архитектуры требует понижения УГВ, а памятники архес логин (культурный слой) требуют его высокого положения, чт зафиксировано в предложенной постановке задачи оптимпзацш

'2. Подсистема регулирования^ состоящая из различных дренажны систем для исторических территорий, как правило, должна ра< сматриваться как часть более общей системы оптимизационно: управления режимом УГВ, включающей также подсистемы (блс ки) мониторингового контроля (слежения), выработки и приш тия решения (оптимизационный и диалоговый "процессоры").

3. Сформулированные в работе задачи регулирования режимо УГВ на исторических территориях должны рассматриваться ка многокритериальные экстремальные задачи оптимального упр< вления системами с распределенными параметрами, с приорит« том экологической оптимизации (в данном случае, археологе -архитектурно - экологической) с соблюдением выполнения эк< номических и др. ограничений.

4. Разработанная методика многовариантных оптимизационны фильтрационных расчетов различных видов дренажей, осн< ванная на применении математических методов оптимально! управления и ее компьютеризация, позволяет получать варцаг ты компромиссных оптимальных инженерных решений в ки фликтных гидрогеологических ситуациях и служит основание для принятия управляющего решения по регулированию режим УГВ на ЗИТ.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность Н! учному руководителю д.т.н., профессору Е.С.Дзекцеру за постояннь творческие обсуждения, неизменное внимание к работе. Автор такя искренне признателен д.г.-м.н., профессору М.В.Рацу за ценные сов' ты и критические замечания на начальной стадии работы. Пользуяс случаем, автор благодарит сотрудников отдела гидрогеологически исследований ПНИИИС за полезные обсуждения получаемых резул татов исследований, а также за поддержку и внимание.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе диссертации формулируются основные пон. тия управления грунтовыми водами застроенных территорий и пр;

водится аналитический обзор научно - технической литературы по управлению режимом грунтовых вод. В качестве объекта управления рассматриваются грунтовые воды застроенных исторических территорий. Грунтовые воды ЗИТ наиболее подвержены техногенным воздействиям и изменения юс режима существенно влияют на динамику общей гидрогеологической ситуации, что выражается в подтоплении заглубленных помещений, в обводнении и осушении грунтов оснований и т.д.

Под управлением в данной работе понимается процесс организации такого целенаправленного воздействия на грунтовые воды с помощью соответствующих управляющих воздействий (например, посредством создания системы дренажей), в результате которого УГВ понижается до заданного, и поддерживается в таком состоянии весь период эксплуатации данной ЗИТ.

Показано, что результаты оптимизации регулирования УГВ на ЗИТ зависят от многих факторов: принимаемой схематизации гидрогеологических условий; выбора математической модели объекта; неполноты и неточности геоинформации; упрощения структуры и состава гидрогеологического объекта; противоречивости целей управления, исходящих от разных субъектов; многокритериальности оптимизационных задач; способов формализации критериев и ограничений; выбранных методов решения и способов численной реализации оптимизационной задачи.

В следующем разделе этой главы приводится обзор отдельных научных публикаций по теме диссертации. Рассмотренные в обзоре работы могут быть подразделены на три направления:

• по регулированию водозаборными сооружениями, при оценке эксплуатационных запасов месторождений подземных вод; в нашей стране - С. С. Бондаренко, Ф. М. Бочевер, Н. Н. Вернгин, И. К. Гавич, В. М. Кононов, Н.П.Куранов, В. А. Мироненко, А. В. Михайлова, Н. Н. Ленченко, В. И. Угорец, Ю. А. Церковский, В. М. Шестаков, и др. за рубежом - Bogacki W., Daniels Н., Herrimg В., Heckele A., Willis R., Liu P., Finney В. и др.;

• по регулированию очистными сооружениями, по защите подземных вод от загрязнения, по созданию противофильтрационных завес, различных экранов и пр. (в нашей стране - Ф. М. Бочевер, Н. Н. Веригин, В. М. Гольдберг, А. Ж. Муфтахов,. А. Е. Орадовская, М. С. Орлов, В. М. Шестаков и др., за рубежом -

Маааоск Т., АШеЫ Б. и др. );

• по регулированию и оптимизации мелиоративных, строительных, шахтных и пр. дренажей ( И. К. Гавич, Е. С. Дзекцер, Н. П. Куранов, А. В. Михайлова,''Б.Н.Дегтярев, Ю.Н.Никольскиий, А.Ж.Муфтахов, А. Я. Олейник, Г. А. Разумов, Б. С. Шержуков, В. М. Шестаков и др., АЬИеИ О., СатЬоЫй в., Са1еа& в., и др.).

В приведенном обзоре указано, что работ по оптимальному управлению режимом грунтовых вод застроенных территорий с помощью дренажных систем практически нет, а для исторических территорий даже не приводятся постановки задач, не рассматривается специфика подходов и методов решения. В связи с этим приводится краткий обзор необходимых работ по управлению системами с распределен- < нымн параметрами, методам решения обратных некорректных задач, к которым безусловно относятся задачи управления таким сложным объектом, каким являются грунтовые воды ЗИТ.

Во второй главе рассматриваются дренажные системы, реализуемые в виде системы инженерной защиты застроенной территории от опасных гидрогеологических процессов.

В ?той главе дается понятие системы управления режимом грунтовых вод на ЗИТ. В состав системы управления грунтовыми водами, по предложению научного руководителя Е.СЛзекцера, входят три основных блока: "слежения", "принятия решения", "регулирования*1. Согласно такой структуре, дренажные системы являются частью блока "регулирования", выработка и выбор окончательного управляющего решения осуществляется в блоке "принятия решения", контроль за динамикой объекта управления и эффективностью управляющих воздействий — в блоке "слежения".

Основным требованием к повышению гидрогеологической надежности застроенной исторической территории и обеспечению ее значительной безопасности является недопущение выхода значений контролируемых показателей подземных вод за предельно допустимые границы диапазона их возможных изменений при условии учета прежде всего, факторов археолого- и архитектурно- экологической ситуации. Работа дренажа рассматривается с позиции оптимизации, целью которой является сохранность КС и ПА.

Для скоординированной работы всех блоков системы управления

создается специальная модель СУ, состоящая из информационного, диалогового и оптимизационного процессоров, которые представляют собой набор соответствующих программ, алгоритмов и т.д. (см. рис. 1). Эти процессоры соответствуют блокам "слежения" , "принятия решения", "регулирования" системы управления описанной выше.

В задачах оптимизации (оптимизационный процессор) управления режимом грунтовых вод рассматриваются варианты управляющих воздействий при помощи горизонтального и вертикального дренажей, совершенного и несовершенного типов. С помощью предложенных критериев оптимизации (функционалы специального вида) формализуется целевое состояние объекта управления. В качестве основы для реализации оптимизационного процессора предлагается численное моделирование. Блоки численных расчетов дополняются диалоговыми блоками, реализующими настройку системы и обеспечивающими принятие решения экспертом.

В этой же главе разработаны принципы принятия управляющего решения экспертом по размещению дренажей, выбору типа дренажа и режима его работы на основе анализа всей гидрогеоинформации о прошлых , настоящих , прогнозных ситуациях объекта управления.

В соответствие с ними строится поэтапная деятельность эксперта, регламентируется его работа в диалоговом режиме.

В третьей главе диссертации приводится инженерно - гидрогеологическая и математическая постановка задачи управления режимом УГВ на застроенных исторических территориях.

В первом разделе главы дается общая постановка задачи. Рассматриваются различные требования к норме осушения в зависимости от глубины залегания и материала оснований фундаментов памятников архитектуры, наличия подвалов, эффективной зоны капиллярной каймы ( Л*). Так, некоторые памятники архитектуры располагаются на деревянном основании:, для которого требуется увлажненное состояние грунта. Вводятся понятия критического (Н ) и предельного (Н) положения УГВ, как для ПА, так и для КС. Предельный уровень -это "предупреждение об опасности", а критический уровень — "это уже аварийная ситуация". На рис. 2 приведены выработанные типовые требования к норме осушения памятников и схематическое их изображение.

Приводится обобщенный критерий оптимизации и) - неотрицательный функционал, который предлагается минимизировать на

(а;

(6)

Рис. 1. Программное информационное обеспечение процесса оптимизационного м делиров&ния. ((а) - общий вид, (б) - детализация отдельных блоков)

Рис. 2. Соотношении для предельного и критического уровней и типовые требования к норме осушения.

множестве рассчитанных значений УГВ , удовлетворяющих выбранной модели (дифференциальным уравнениям, описывающим процесс фильтрации к дренам) и ряду ограничений (неравенствам, определяемым предельными или критическими уровнями для ПА и КС.

Общий вид функционала J(h,ll) следующий:

Апр^пр

где Л - расчетный УГВ, и - обозначает управляющее воздействие - это может быть вектор, координатами которого являются уровни воды в дренах и = (к^ /¿2) (к\ - уровень в первой дрене, а ¡12 - во второй,в том числе, одна из дрен может отсутствовать), или вектор, координаты которого характеризуют приток воды в дрены и = (дх, 52) ((/1 - приток в первую дрену, а <72 - во вторую).

Л, - слагаемое, "отвечающее" за оптимальное положение УГВ с позиций памятника, т.е. при /„ = 0 объект практически не подта-плпвается. Этот функционал в одномерном случае может иметь вид:

Л, = / тахШх, Т, и) — Нп(х), 0)с1х,

где Н[х,Т,и) - расчетный уровень, полученный в результате дренажных мероприятий, Т - заданное время, к которому требуется понизить УГВ, и - вектор управления, Нтг(х) - предельный (целевой) уровень для ПА, XI и Х2 - границы области, в которой решается задача оптимизации (достаточно большая окрестность ПА).

3к - слагаемое, "отвечающее" за оптимальное положение УГВ с позиций культурного слоя, для одномерного случая может иметь вид:

Зк = / тах(Нк(х) — Мх,Т, и), 0)^х,

где Нк{х) - предельный уровень для культурного слоя.

7пр - слагаемое, "отвечающее" за положение УГВ в допустимом диапазоне его колебаний, обеспечивающих сохранность деревянных конструкций фундамента. - слагаемое, "отвечающее" за оптимальное положение УГВ в допустимом диапазоне его колебаний, обеспечивающих сохранность культурного слоя. Вид последних двух функционалов из-за громоздкости выражений здесь не приводится.

Весовые коэффициенты А„, Ак, Апр и Акр, используемые в выражении для функционала J(h,u) определяют "вес" того или иного слагаемого и тем самым задают значимость ("вес") памятника архитектуры или культурного слоя. Изменяя величины этих коэффициентов

(Ап > 0 , Ак > 0, Лпр > 0, Акр > О п А„ + Ак + Апр + Акр = 1) математически формулируется задача компромиссного решения по Парето для ПА и КС.

Вид функционала допускает внесение дополнительных слагаемых, отражающих требования к оптимизации. Так, например, в функционал может быть добавлен экономический критерий, характеризующий стоимость защитных мероприятий.

В общем виде задача оптимального управления режимом грунтовых вод сформулирована следующим образом:

Требуется минимизировать функционал и)

J{k,u)-+0.

при условии, что УГВ (/г) описывается уравнением Буссинеска (в гидравлической постановке) с соответствующими граничными и начальными условиями. В этой части главы дается общая постановка задачи и предлагается метод ее решения. Для определения расчетного УГВ предлагается применять численные методы. Задачи минимизации функционала целесообразно решать, используя метод проекции градиента, для чего требуется определить градиент функционала J(h,u), выражаемый через решение сопряженного уравнения к исходному . Общая постановка оптимизационной задачи справедлива и для двумерной задачи, независимо от типа дренажа.

Дальнейшее решение задачи оптимального регулирования режима грунтовых вод реализовано следующим образом:

• Рассматривается постановка одномерной задачи. Двумерный случай в выбранном подходе принципиально не отличается, только требует более громоздких выкладок. Для одномерного случая сформулированы постановки задачи и получены основные формулы для оптимизации управления глубиной заложения дрен (граничные условия 1 рода) или притоком в дрены (управление представлено как 5 - функция в правой части уравнения, в местах дрен). Получен вид критерия оптимизации, приведена постановка прямой задачи расчета УГВ, выведены сопряженные уравнения и выражения для градиента функционала. Приведены расчетные формулы метода проекции градиента для итерационного процесса минимизации критерия оптимальности. Получены необходимые условия для определения компромиссного по Парето решения. Значение обобщенного критерия формируется

в виде линейной комбинации с соответствующими весовыми коэффициентами критериев по культурному слою и по памятнику архитектуры.

• Численно реализован (выписаны и обоснованы разностные схемы и расчетные формулы) случай управления уровнем и расходом в дренах. Алгоритмы для данных случаев реализованы полностью, то есть написаны программы, разработана интегрированная система с графическим интерфейсом, объединяющая и реализующая основные элементы комплексной системы управления, включающей как участие эксперта (в диалоговом режиме) так и автоматическое определение оптимального уровня УВ. ,

Во втором разделе 3 главы подробно рассматривается управление уровнем в дренах. Приведена постановка задачи определения УГВ. Область рассмотрения разбита на три (в случае двух дрен) или две (для одной дрены) подобласти, границами которых являются дрены (здесь определено граничное условие 1 - рода, - уровень в дренах, являющийся параметром управления ) и точки достаточно далеко отстоящие от объекта управления - в качестве граничного условия задана непроницаемая граница. Для каждой из подобластей рассматривается уравнение вида

д* = адх^ + х°1<х < х02,0 <t <Т\

где Х01 и Х02 - границы подобласти, Т - время к которому требуется достичь требуемый уровень, /(а;, -член уравнения, заданная правая часть, включающая инфильтрацию и, возможно, "штрафные функции", обеспечивающие учет предельных и критических уровней, а - коэффициент уровнепроводности.

Для минимизации критерия цели - заданного функционала - требуется вычислить его градиент, который определяется решением Ф сопряженного уравнения. Не выписывая здесь сопряженных уравнений (при наличии "штрафных функций" они достаточно сложны), приведем основное выражение данного раздела - градиент функционала

Ли) =

(а(Ф'(4,<) - Ф'(*2 ,*)),а(Ф'(*М - Ф'(*г, 0)).

если /¡I = /¿1 /гг = Лг(0> если /и, '«2 не зависят от

Через Ф'(а:^2) обозначены производные Ф' решения сопряженной задачи в окрестностях точек х\ и Х2 ~ координат положений дрен, при этом знак + означает правую окрестность, а знак ~ -соответствует левой окрестности точек, то есть правую и левую производную.

Наконец, для определения оптимального управления используется метод проекции градиента

и/+1 = Ри(щ - «//(«/)), / = 1,2,3....

при некотором начальном щ, I -количество итераций , а/ - итерационный параметр. Оператор Ру - оператор проекции на пространство допустимых управлений.

В последнем разделе этой главы приводится постановка задачи оптимального управления в случае управления притоком в дрены. Критерии оптимизации те же, что и в предыдущем случае. Для такой постановки нет необходимости разбиения области на части и уравнение в этом случае имеет вид:

д!х Л

~ адх2+^(:г^)+<Э15(х~х1)+<52(5(а;-х2)' X! < X < Х2,0 <t <Т;

где приток воды в дренах (¿[¿(х — Х1) и С^г6(х — х?) являются управляющими параметрами, а 5(х) - дельта функция. Соответственно изменяется вид сопряженной задачи и выражение для градиента функционала. Отметим, что в этом случае выражение для градиента значительно проще: в нем отсутствуют частные производные решения сопряженной задачи.

Четвертая глава диссертации посвящена численным методам решения задачи оптимального управления режимом грунтовых вод в случае управления уровнем и расходом в дренах.

В первом разделе главы приводится общая вычислительная схема решения этой задачи, постановка которой изложена в предыдущей

главе. Выделены основные элементы, составляющие математическую и вычислительную основу системы оптимального управления УГВ:

• задание исходной гидрогеологической и техногенной информации, выбор режима работы системы:

— "автоматический режим" - автоматическое определение оптимальной глубины заложения дрены, ее расхода и положение кривой депрессии , а также значений критериев эффективности для КС и ПА;

— "диалоговый режим" - определение УГВ и величины критериев оптимизации для КС и ПА по заданному начальному УГВ и положению дрен в плане и по глубине;

• расчет УГВ, так называемая прямая задача, и вычисление критериев оптимизации;

• реализация методов оптимального управления - определение оптимального уровня и расхода в дренах (автоматический режим);

• выбор компромиссного варианта по Парето ;

• осуществление визуализации результатов, диалога экспертов,т.е. так называемой оболочки предложенной интегрированной системы, связывающей отдельные части системы и организующей их взаимодействие.

Реализация методов оптимального управления, является основой оптимизационного процессора (рис. 1). Алгоритм решения этой части задачи разбит на блоки:

• блок задания исходных данных, в том числе начального (грубое приближение) уровня в дренах (информационный процессор - рис. 1);

• блок решения основной задачи - определение положения УГВ;

• блок вычисления общего критерия оптимальности, включающего отдельные критерии: по культурному слою, по объекту, по стоимости и т.д.

• блок решения сопряженной задачи;

\

Рис. 3. Участок карты гидроизогипс для территории Новгородского Кремля на 03 мая 1994 г. со зданием Присутственных мест и предполагаемое расположение дрен.

• блок вычисления градиента функционала критерия оптимальности - численно реализованы приведенные в третьей главе формулы;

• блок коррекции управляющих воздействий - определено управление (уровень и расход дрен) на следующей итерации.

• определение компромиссного решения по Парето;

• возврат к блоку решения основной задачи.

Во втором параграфе главы приведены разностные схемы численного решения параболического уравнения (основной модуль в математической части системы оптимального управления). В работе использованы неявные разностные схемы второго порядка аппроксимации. Для решения сеточных уравнений - определения решений - применен метод прогонки. Отмечено, что в двумерном случае может быть использованы аналогичные разностные схемы, а для решения сеточных уравнений применен метод переменных направлений.

В третьем параграфе главы дано общее описание разработанной диалоговой интегрированной системы оптимального управления

Рис. 4. Результат расчета древы 1-1.

УГВ. Приведены примеры вариантов практических ситуаций (по типам архитектурных объектов, по профилям водоупора, культурного слоя и т.д. ) и предложен алгоритм использования разработанной системы.

Предложенная в данной работе методика и численные методы решения реализованы на языке С++ 4.02 на персональном компьютере IBM486 под средой Windows 3.11 for WG . Был использован объектно ориентированный подход к решению сложных проблем, к которым безусловно относится решаемая в данной работе задача. Для создания диалоговой системы был использован графический интерфейс библиотеки Object Windows Library 2.0.

Пятая глава посвящена применению методов оптимизации регулирования УГВ на территории Новгородского Кремля.

Систематические, отчасти, аварийные утечки, наряду с инфильтрацией атмосферных осадков, привели на территории Кремля к формированию в насыпных грунтах (культурный слой) постоянного по времени техногенного водоносного горизонта, являющегося виновником подтопления, и, как следствие, деформации конструкций ряда архитектурных памятников н других сооружений. В результате проведенного районирования территории Новгородского Кремля по материалам всего цикла гидрогеологических наблюдений за уро-

Крит.ПА: О.СООеЮО Крнт.КС: 5.051е»0| Нр.пр.1: 3.700 Ур.др.г: з.7оо

Ось 11 14.11(1

12.00

- 10.00 I I

Памятник 13енная поверхность I - архитектуры-■-"-

-48.00 0.00 24.00 --Кудыурн.слой ----Начтьиик УГа --Рвссчнпниый УГВ

48.00 Ось X

Рис. 5. Результат расчета дрены 2 - 2.

венным режимом грунтовых вод в ее пределах выделены территории с различным положением уровней грунтовых вод (УГВ), выявлены памятники архитектуры, нуждающиеся в защите от подтопления.

В данной главе приведен пример оптимизационного расчета прокладки дренажа для одного из объектов защиты - здание Присутственных мест (рис.3). На основании инженерно - гидрогеологических изысканий установлено, что грунтовые воды, подтапливающие здание, содержатся-в основном, в насыпных заторфованных грунтах, образуя единый подвешенный техногенный водоносный горизонт, покоящийся на плотных глинах - местном водоупоре. Уровень грунтовых вод располагается на глубине 2-3 метров от земной поверхности.

На площадке памятника построено вкрест четыре инженерно - гидрогеологических разреза (см. рис. 3), из которых следует, что в северо - западной и средней частях основного здания подвалы подтоплены. Под зданием КС уничтожен на глубину более чем 3,0 метров. Под памятником залегают насыпные грунты значительной мощности, покоящиеся в основном на глинах и суглинках, в юго - восточной части - на песках, т.к. перекрывающие их глины отсутствуют. Северо - западная и центральная части здания имеют подвальные помещения, требующие защиты от подтопления.

Для защиты здания рекомендуется горизонтальный трубчатый кольцевой, и возможно, пристенный, дренаж. Коэффициенты филь-

Крнт.пл: о.ооое+оо Крнт.КС: 7.577е«01 Ур.пр.1: 2.700

Ур.пр.г: г.7оа

ОеьЬ 14.ии

12.00

10.00

1_1111

Птятник

архитеетуры _ 8.00

Зенная поверхность]

6.00

Рис. 6. Результат расчета дрены 3-3.

трации и водоотдачи грунтов соответственно равны к и ц : песчаных - 1.0 м/сут, 0.1; супесей - 0.5 м/сут, 0.05; суглинистых - 0.5 м/сут, 0.01; заторфованных - 0.1 м/сут, 0.02.

В качестве примера методики оптимизационного расчета рассматривается дренаж для защиты подвала в центре здания. Управление полем напоров осуществляется двумя путями: уровнем воды на линии дрены или величиной притока в дрену. Для каждой из дрен с использованием компромиссов Парето находится ее оптимальное расположение. Результаты расчетов для трех дрен вокруг участка музея приведены на рис.. 4, 5, 6. Для дрены 3-3 в качестве примера, график компромиссного решения по Парето (рис.7), точка пересечения кривых соответствует компромиссному оптимальному положению дрены по глубине.

В левом верхнем углу рисунков приведены значения критериев для пораженной площади (в разрезе) культурного слоя (Крит.КС) и для памятника архитектуры (Крит.ПА), а также рассчитанная глубина заложения дрены.

Таким образом, в результате работы оптимизационного алгоритма получено оптимальное положение дрен при безусловном осушении подвала, т.е. при принятии условия для случая 3 (рис. 2).

Полученные результаты являются основой принятия экспертом окончательного управляющего решения и позволяют сделать рско-

1Ю-.

Рис. 7. График нормированных критериев оптимизации для определения компромиссного решения по Парето.

мендации по инженерным мероприятиям.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На некоторых застроенных исторических территориях развиты процессы подтопления, что приводит к нежелательному обводнению заглубленных помещений и конструкций фундаментов памятников архитектуры, одновременно при этом обеспечивается консервация памятников археологии(культурного слоя), что создает своеобразную инженерно - гидрогеологическую конфликтную ситуацию.

2. Применение дренажей с целью осушения заглубленных помещений некоторых памятников архитектуры ограничивается требованиями конструкций оснований фундаментов (деревянные лежни, ростверки, сваи). Осуществленная типизация конструкций оснований фундаментов позволила дифференцировано подходить к каждому конкретному памятнику архитектуры.

3. Проведенный анализ застроенных территорий показывает, что поддержание требуемой археолого - и архитектурно - экологической обстановки возможно лишь с одновременным сохранением

увлажненного культурного слоя и осушением заглубленных по мещений памятников архитектуры.Введены понятия предельно го и критического уровней для культурного слоя и памятнико] архитектуры, что позволило осуществить постановку специфи ческой оптимизационной задачи.

4. Разрешение создавшейся гидрогеологической "конфликтной" си туации осуществляется с помощью создания системы оптими зационного управления режимом грунтовых вод, включающее эксперта, работа которого в диалоговом режиме с ЭВМ регла ментируется специальными разработанными принципами и ал горитмами, обязующими его опираться на ретроспективную, на стоящую, прогнозную и прогнозную с управлением информации об объекте, а также максимально учитывать неблагоприятны« последствия будущих управлений и инженерно - гидрогеологи ческих процессов.

5. В отличие от борьбы с подтоплением на застроенных территори ях, в условиях подтапливаемых исторических территорий, дре нажи являются, главным образом, средством гибкого регулиро вания уровенного режима грунтовых вод для получения компро миссного управляющего решения.

6. Поставленная оптимизационная задача регулирования режимг уровня грунтовых вод на подтапливаемых ЗИТ должна рассма триваться как многокритериальная задача оптимального упра вления, при этом управляющие воздействия задаются в вид( дополнительных граничных условий или правой части соот ветствующих уравнений, описывающих процесс геофильтрации Критерии оптимизации, подлежащие минимизации, задаются ] виде соответствующих функционалов, со штрафными функция ми обеспечивающими недопущение выхода УГВ за пределы тре буемого диапазона.

7. Разработанные алгоритмы, методы решения задачи оптимизаци онного регулирования, включая фильтрационные расчеты дре нажей, созданное программное обеспечение в итоге составляю: методику обоснования оптимального компромиссного инженер ного решения по выбору типа, размеров, размещения дренаже1 и определения режима их работы.

Список опубликованных по теме диссертации работ

1. Арефьева Е.В., Дзекдер Е.С. Система оптимального управления подземными водами в условиях застроенной территории.// Водные ресурсы, 1994г. т.21, No 3, с.290-296.

2. Арефьева Е.В., Болтов М.В. О некоторых вопросах математического моделирования при прогнозировании инженерно - гидрогеологических параметров. // В сб. "Современные инженерно -геологические и гидрогеологические проблемы территорий городов и городских агломераций", Одесса, 1987г.

3. Арефьева Е.В. Об одном методе решения некорректной обратной гидрогеологической задачи. // В сб. "Современные инженерно -геологические и гидрогеологические проблемы территорий городов и городских агломераций", Одесса, 1987г.

4. Арефьева Е.В. Некоторые вопросы постановки и решения обратных задач геофильтрации // в сб. Современные методы получения и обработки информации при инженерных изысканиях для строительства,М., 1990 г. с.78-88.

5. Арефьева Е.В., Дзекцер Е.С. Проблема оптимизации регулирования режима грунтовых вод на территории Новгородского Кремля //в сб. материалов научной конференции, Новгород (в печати).

Заказ и 7-

Тираж 100 экз.