Водный режим рек Европейской территории России и его изучение на основе модели формирования стока

В условиях уже заметных глобальных изменений климатических условий, сокращении сети станций гидрометеорологического мониторинга, нарушения однородности рядов наблюдений из-за значительной антропогенной нагрузки на отдельные речные водосборы, вызывающей изменения их водного режима, расчеты и прогнозирование речного стока с использованием существующих традиционных методов становятся малоэффективными. Практически отсутствуют надёжные методы прогнозирования стока для малоизученных рек. Успешное решение многих гидрологических задач требует разработки новых методических средств исследования условий формирования стока, расчетных и прогнозных схем. Одним из перспективных путей служит математическое моделирование речного стока на основе ландшафтно-гидрологического принципа с использованием современных геоинформационных технологий и моделирующих возможностей. Так как каждый конкретный бассейн включает в себя различные по условиям формирования стока участки, модель, кроме полного описания основных процессов формирования стока, должна учитывать их пространственную изменчивость с учетом реально имеющегося информационного обеспечения.

Среди большого числа существующих сегодня моделей формирования стока на речных водосборах этим условиям, в значительной мере, удовлетворяет разработанный Мотовиловым Ю. Г. информационно-моделирующий комплекс (ИМК) ECOMAG (ECOlogical Model for Applied Geophysics, 1993 г.), предназначенный для расчетов гидрологического режима рек. Важным признаком данного комплекса является наличие автоматизированной системы обработки и управления пространственно-распределенной информацией.

Уже накоплен некоторый опыт успешного использования комплекса для решения одной из важнейших прикладных гидрологических задач — расчета и прогноза притока воды к крупным водохранилищам Волжско-Камского бассейна, а также для некоторых других крупных водохранилищ РФ. При этом актуальным остается дальнейшее исследование возможностей использования программного комплекса в других задачах моделирования стока, ранее нереализованных.

Целью диссертационной работы является адаптация универсального программного комплекса ЕСОМАв для моделирования водного режима отдельных рек ЕТР с различными природными условиями, с разными размерами водосборов и уровнями хозяйственной деятельности в их бассейнах, а также разработка методических средств для расчетов и прогнозов стока рек на основе данного комплекса.

В соответствии с целью работы ставились следующие задачи:

• Составить краткий обзор современных математических моделей формирования стока и обозначить среди них место используемого вычислительного комплекса;

• Выполнить анализ водного режима избранных рек ЕТР;

• Создать информационную основу исследования: базы картометрических, физико-географических и гидрометеорологических данных;

• Разработать и реализовать методику предмодельного анализа исходной метеорологической информации;

• Построить цифровые модели бассейнов рек по данным дистанционного зондирования Земли и выполнить схематизацию исследуемых водосборов;

• Выполнить моделирование гидрографов стока рек и оценить его эффективность;

• Выполнить моделирование притока воды к Москворецким, Павловскому и Цимлянскому водохранилищам;

• Выполнить объединение модели формирования стока ЕСОМАв и метеорологической модели АЛ^Ш7;

• Разработать методику краткосрочных прогнозов расходов воды на основе модели формирования стока и средства корректировки прогнозов.

Объектом исследования являются бассейны рек Оки и Москворецких водохранилищ, бассейны р. Белой (приток р. Камы) и Павловского водохранилища, бассейн Цимлянского водохранилища (р. Дон) и три бассейна северных рек ЕТР (Северная Двина, Мезень и Печора). Основные защищаемые положения:

• результаты моделирования гидрографов стока с водосборов разных размеров, с различными физико-географическими условиями и уровнями хозяйственной деятельности и рекомендации по дальнейшему использованию комплекса применительно к другим речным бассейнам;

• результаты оценки влияния информационного обеспечения модели на качество моделирования стока;

• методика краткосрочного прогноза расходов воды на основе модели формирования стока и варианты его корректировок;

• методика краткосрочного прогноза притока воды к водохранилищам на основе синтеза гидрологической и метеорологической моделей.

Научная новизна работы заключается в следующем: оценена возможность моделирования стока рек с разными водосборными площадями, при различной информационной обеспеченности программного комплекса ЕСОМАО, для решения задач гидрологических расчетов и краткосрочных прогнозов стокапредложена методика предмодельного анализа исходной гидрометеорологической информацииразработан и проверен алгоритм корректировки краткосрочных прогнозов расходов воды рекразработана и реализована схема объединения модели гидрологического цикла ЕСОМАО и метеорологической модели WRF, состоящая из блока программ, обеспечивающих обмен данных между моделями.

Практическая значимость. В работе реализованы новые технологии применения программного комплекса ЕСОМАО к малым и средним речным бассейнам и водохранилищам, позволяющие существенно повысить качество моделирования стока при решении комплексных водохозяйственных задач.

Автор выражает искреннюю признательность сотрудникам кафедры гидрологии суши за полезные советы, постоянную поддержку и помощь при сборе материалов и выполнении проектов, а особенно к.г.н., доц. Н. Л. Фроловой и к.г.н., м.н.с. И. Н. Крыленко.

Основные результаты диссертации могут быть сведены к следующему:

1. Определено место ИМК ЕСОМАв среди множества математических моделей формирования стока.

2. Разработана методика предмодельного анализа исходной метеорологической информации, по результатам которой установлены допустимые расстояния между метеорологическими пунктами наблюдений для проведения надежной интерполяции суточных сумм осадков.

3. Проведена оценка влияния густоты сети метеорологических станций на точность моделирования стока в бассейне р. Северная Двина. Критическое число метеостанций, при котором результаты расчетов гидрографов стока рек уже нельзя считать удовлетворительными, равно пяти.

4. Выявлено, что расчет запаса воды в снежном покрове по гидрологической модели ЕСОМАв имеет адекватные фактическим данным величины, но для прибрежных станций наблюдаются существенные несовпадения (средние относительные ошибки достигают 40%).

5. Выполнено моделирование стока с водосборов различного масштаба, характеризующихся разными условиями формирования стока, и установлено, что программный комплекс позволяет успешно проводить расчеты стока как крупных, так и малых равнинных рек при условии назначения оптимального набора параметров, правильного выбора детализации цифровой модели рельефа и масштаба тематических карт.

6. Установлено, что комплекс лучше описывает весеннее половодье, чем дождевые паводки, ввиду малых радиусов корреляций суточных сумм осадков (от 35 км в бассейне р. Белой до 70 км в бассейнах северных рек).

7. Лучшие результаты расчетов гидрографов стока по модели достигнуты для рек Севера ЕТР, наихудшие для рек бассейна Цимлянского водохранилища и некоторых закарстованных рек бассейна р. Белой.

8. Разработана эффективная методика краткосрочного прогноза расходов воды для северных рек ЕТР и методика его корректировки.

9. Реализован синтез моделей гидрометеорологического цикла, на основе которого составлены краткосрочные прогнозы притока воды к Москворецким водохранилищам.

Перспективы использования программного комплекса ЕСОМАв следует видеть в использовании оперативных данных современных наземных и дистанционных средств наблюдений гидрометеорологических показателей (радарные измерения интенсивности осадков, аэрокосмическая съемка запасов воды в снежном покрове и влажности почвы), и в использовании современных ГИС.

Полученные результаты и разработанные методики могут быть использованы при решении комплексных водохозяйственных задач для гидрологических бассейнов любых размеров с учетом их физико-географических особенностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.