Обеспечение устойчивости краткосрочного прогнозирования речного стока методом фрактальной диагностики: на примере Северо-Запада ЕТР тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Девятов, Владимир Сергеевич

• Девятов, Владимир Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат технических наук Девятов, Владимир Сергеевич

Сокращения

Введение

1 Проблемная ситуация, преодолеваемая в работе

1.1 База гидрологических знаний рассматриваемой предметной области

1.1.1 Физико-географическая характеристика речных бассейнов Северо-Запада ЕТР

1.1.2 Используемые в настоящее время методы краткосрочного прогнозирования

1.2 Формирование баз данных, необходимых для краткосрочного прогнозирования процесса речного стока

1.3 Расширение смысловой нагрузки термина «устойчивость краткосрочного прогнозирования». Формулирование цели и задач диссертационного исследования

2 Определение и построение картосхем фрактальной размерности рядов суточных расходов на оперативных постах СЗУГМС

2.1 Методика фрактального диагностирования гидрологических процессов

2.2 Фрактальная диагностика рядов среднесуточных характеристик стока для конкретного года

2.2.1 Летне-осенняя межень

2.2.2 Зимняя межень

2.2.3 Половодье

2.3 Фрактальная диагностика многолетних рядов суточных норм

2.3.1 Летне-осенняя межень

2.3.2 Зимняя межень

2.3.3 Половодье

2.4 Картосхемы фрактальных размерностей и выявление створов (бассейнов или регионов) с различными размерностями пространства вложения

2.4.1 Картосхемы фрактальной размерности для конкретного года

2.4.2 Картосхемы фрактальной размерности для многолетних норм

2.4.3 Сравнительный анализ картосхем для конкретного года и многолетних норм

2.5 Зависимость фрактальной размерности многолетних суточных норм от площади водосбора и ее сравнение с редукционной кривой. Физико-географический смысл фрактальной размерности

3 Прогнозирование стоковых характеристик и восьмисуточных процессов их изменения по моделям различного порядка

3.1 Прогнозирование восьмисуточного хода стоковых характеристик. Построение картосхем динамики процесса

3.2 Прогнозирование и построение картосхем восьмисуточной динамики затопления территорий 126 Заключение 134 Список использованных источников 136 Приложение А - Среднемноголетние ежедневные расходы воды 141 Приложение Б - Данные по четырем оперативным постам (фактические расходы и осадки по метеостанциям, расположенных на водосборе) за 1980 г. 142 Приложение В - Листинг программы оптимизации коэффициента стока и времени добегания 148 Приложение Г - Листинг программы оптимизации параметров двухъемкостной модели формирования стока 153 Приложение Д - Справка о внедрении

СОКРАЩЕНИЯ

СЗУГМС - Северо-Западное Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды УГМС - Управление по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды СЗФО - Северо-Западный федеральный округ ЕТР - Европейская территория России

ГЭС - гидроэлектростанция

ГИС - геоинформационная система СО - компакт-диск

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение устойчивости краткосрочного прогнозирования речного стока методом фрактальной диагностики: на примере Северо-Запада ЕТР»

Многие отрасли национального хозяйства, деятельность которых тесно связана с использованием водных ресурсов, нуждаются в различного рода гидрологических прогнозах. Надежный прогноз позволяет оптимизировать хозяйственную деятельность с учетом потребностей производства. Обеспечение энергетики гидрологической информацией и прогнозами осуществляется в период проведения комплекса работ по строительству и во время эксплуатации гидротехнических сооружения. Строительство крупных гидротехнических узлов продолжается несколько лет. В этот период при перекрытии русла, отведении рек, защите котлованов от затопления, крайне важны прогнозы ожидаемой водности рек. Во время эксплуатации гидростанций прогнозы используются в целях оптимизации режимов регулирования стока рек, планирования выработки электроэнергии и для принятия мер по пропуску паводка через гидроузлы.

Речной транспорт нуждается в прогнозах уровней воды, резкого изменения водности, ледовой обстановки. Уровни (расходы) воды на участках, лимитирующих судоходство, определяют допустимую осадку судов, барж и, следовательно, рентабельность перевозок. Краткосрочные прогнозы уровней в период навигации регулярно передаются в диспетчерские службы пароходств и используются при определении судоходных уровней на лимитирующих участках рек.

Большое значение для коммунального хозяйства, автомобильного и железнодорожного транспорта, горнодобывающей промышленности имеют предупреждения о затоплениях и наводнениях. Актуальность темы

До настоящего времени в большинстве случаев краткосрочный прогноз стоковых характеристик и затопления территорий дается на фиксированный момент времени для локальных участков рек. При этом, как правило, используют метеоинформацию на дату выпуска прогноза и на ближайшие сутки. Однако в связи с появлением нескольких сайтов Интернет-ресурсов, на которых представлена информация о динамике метеополей (осадки, температура воздуха и др.) с заблаговременностыо восемь суток, открывается возможность с такой же заблаговременностыо прогнозировать ход гидрологических процессов.

Подобный переход от прогнозирования на конкретную дату к прогнозированию процесса требует использования в качестве прогнозных моделей дифференциальных уравнений, которые могут быть разного порядка. На кафедре гидрофизики и гидропрогнозов в РГГМУ разработана методика фрактальной диагностики гидрологических процессов, которая, в частности, и указывает на этот порядок. Правильный его выбор обеспечивает как эффективность прогнозирования, так и устойчивость решения прогнозной модели, что является ключевым моментом, когда прогнозируются именно процессы. Таким образом, тема диссертации актуализирована двумя обстоятельствами: а) появлением Интернет-ресурсов, обеспечивающих возможность использования восьмисуточных прогнозных полей метеоэлементов для фонового прогнозирования процесса речного стока; б) наличием в РГГМУ методики фрактального диагностирования, адаптированной к задачам гидрологии. Что касается актуальности темы с точки зрения «социального заказа», то необходимость методики надежного прогнозирования наводнений или засух очевидна и не требует особой аргументации.

Методика исследований и исходный материал

Решение поставленных задач основывалось на методологии частично инфинитного моделирования, разработанной в РГГМУ. В основе примененных уравнений прогнозирования лежали одно- и двуемкостные модели, учитывающие одну или две фазовые переменные, характеризующие поверхностную и подземную составляющие стока.

Фрактальные размерности оценивались на основе теоремы Такенса с помощью корреляционного интеграла (информационной размерности).

Реализация методик осуществлялась на персональном компьютере на базе среды разработки С++ Builder.

Исходным материалом для проведения расчетов служили ряды гидрологических и метеорологических элементов, опубликованные в открытом доступе.

Научная обоснованность н достоверность

Основывается на использовании в качестве прогностических моделей достаточно апробированных в гидрологии моделей первого и второго порядков, учитывающих влияние на прогнозные величины стоковых характеристик поверхностной и подземной емкостей, учитывающих как потери стока, так и параметры релаксации. Также использовались нормативные оценки, характеризующие качество прогнозирования (отношение S/

В ходе проведенного в диссертации исследования получены следующие основные результаты:

Продиагностированы и закартированы фрактальные размерности рядов фактических и осредненных за многолетний период среднесуточных расходов воды, что позволило выявить створы с различными значениями размерности пространства вложения, обеспечивающими устойчивое прогнозирование стоковых характеристик.

Впервые в методику фрактальной диагностики гидрологических процессов для среднесуточных характеристик введена процедура статистического многолетнего календарного осреднения, позволившая вычислять фраюгальную размерность ряда норм, которая обеспечивает инвариантность вычисляемой размерности пространства вложения к конкретной годовой реализации внутригодового распределения стока.

Впервые получена зависимость фрактальной размерности ряда норм суточных модулей от площади речных водосборов для условий Северо-Запада России, которая оказалась во многом подобной также впервые построенной редукционной зависимости среднего многолетнего значения («нормы от норм»), что позволило частично «огидрологичить» физический смысл фрактальной размерности.

Установлено, что использование прогностических моделей в виде дифференциальных уравнений, порядок которых соответствует продиагностированному значению размерности пространства вложения, оказывается более эффективным по критериям £/сгд и Р, чем без учета результатов диагностирования.

Впервые, на примере Северо-Западного региона, выполнены прогнозы восьмисуточного изменения модулей среднесуточного стока, что позволило закартировать динамику фонового изменения речного стока на территории о общей площадью 1677,9 тыс.км .

Впервые, с использованием прогностических моделей в виде дифференциальных уравнений, кривых пропускной способности русла и Интернет-ресурсов с прогнозными полями метеоэлементов, спрогнозирована восьмисуточная эволюция площади затопления.

Практическая значимость исследований заключается в возможности устойчивого восьмисуточного прогнозирования расходов и площадей затопляемых территорий.

Работа выполнялась по теме «Разработка гидрофизических моделей с непрерывным и дискретным временем для устойчивого прогнозирования долгосрочных гидрологических последствий изменения стокоформирующих факторов», финансируемой Министерством образования и науки РФ (№ГР 01.2012.51675). Ее результаты внедрены в учебный процесс по специальности «гидрология» - 07.32.00 в РГГМУ (в Бюро гидрологических прогнозов кафедры гидрофизики и гидропрогнозов) и переданы в группу гидрологических прогнозов Северо-Западного УГМС для практического освоения и использования.

На защиту выносятся следующие положетш:

Способ фрактального диагностирования рядов многолетних норм (по набору годовых реализаций) среднесуточных расходов воды, позволяющий оценивать размерность фазового пространства, в котором прогностическая модель обладает устойчивыми решениями.

Выявленная зависимость фрактальной размерности от площади речного бассейна, показывающая, что с увеличением площади водосбора фрактальная размерность уменьшается и для летне-осенней межени стабилизируется на значении меньше единицы начиная с площадей примерно 3 тыс.км2.

Методика фонового восьмисуточного прогнозирования изменения водности обширных территорий и площадей затопления с использованием Интернет-ресурсов по прогнозным метеорологическим полям.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на итоговых сессиях Ученого совета РГТМУ (2010, 2011 гг.), на Межрегиональной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Вопросы гидрологии, геоэкологии и охраны водных объектов» (Пермский государственный университет, 2010 г.), на Международной научно-практической конференции «Геосистемы: факторы развития, рациональное природопользование, методы управления» (Туапсе, 2011 г.) и Всероссийских конференциях (2010, 2011, 2012 гг.), на научных семинарах кафедры гидрофизики и гидропрогнозов РГГМУ.

По теме диссертации опубликовано 10 статей (в том числе 5 в изданиях по списку ВАК).

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Девятов, Владимир Сергеевич

Основные результаты исследований:

В результате обработки рядов суточных расходов для различных видов внутригодового распределения стока (летне-осенняя межень, половодье, зимняя межень) на территории Северо-Запада ЕТР создана информационная база в виде географических схем распределения фрактальной размерности и размерностей пространств вложения, позволяющая устойчиво прогнозировать процесс фоновых восьмисуточных изменений водности территории.

Установлено, что при фрактальном диагностировании аналогичных (см. п. 1) рядов суточных норм, получаемых по набору годовых реализаций, получаются меньшие значения фрактальной размерности и размерности пространства вложения. Это дает основания осторожно применять прогнозные модели в виде дифференциальных уравнений одинакового порядка для различных лет.

Построенные редукционные зависимости для фрактальной размерности и нормы модуля стока летне-осеннего периода оказались во многом идентичными с примерно одинаковой репрезентативной площадью 3-6 тыс.км , выше которой редукция исчезнет. Это позволяет для бассейнов рек с такими (и выше) площадями использовать модели первого порядка, что открывает возможность при стохастическом обобщении использовать линейные формирующие фильтры и статистически эквивалентное им уравнение Фоккера-Планка-Колмогорова.

Разработанная и апробированная на примере Северо-Запада ЕТР методика прогнозирования и картирования фоновой динамики изменения водности с использованием Интернет-ресурсов позволяет делать устойчивые оценки стоковых и уровенных характеристик на восемь суток, причем прогноз на первые трое-четверо суток удовлетворяет не только среднеквадратическим критериям (принятым на Западе), но и нормативным критериям эффективности прогноза, принятым в России.

Результаты диссертации опубликованы в работах [с 33 по 42].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Девятов, Владимир Сергеевич, 2013 год

1. Водно-болотные угодья России Текст. В 6 т. Т. 1. Водно-болотные угодья международного значения / Под ред. В.Г. Кривенко // Wetlands International Publications.-l 998 № 47.-256 с.

2. Георгиевский, Ю. М. Гидрологические прогнозы Текст. / Ю.М. Георгиевский, C.B. Шаночкин.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.-436 с.

3. Осредненные гидрологические характеристики Текст. Т.З. Вып. 0-1 / Гос. гидролог, ин-т -Л.: Гидрометеоиздат, 1984.-703 с.

4. Расчёт площади Северо-западного региона // Департамент Росгидромета по СЗФО Электронный ресурс.-Офиц. сайт.-СПб., 2012.-Режим доступа: http://adm.meteo.nw.ru/NWUGM/upr.htm

5. Гидрологический ежегодник Текст. Бассейн Балтийского моря. Ч. 1, Т. 1, вып. О-З.-Л.: Гидрометеоиздат, (с 1955 по 1980 гг.).

6. Westwind.ch — 6000 Weather Links for Europe / Markus Pfister Electronic resjurce.-Schw4rbrig, Switzerland, 2007-Point of access: http://www.westwind.ch

7. Коваленко, B.B. Частично инфинитное моделирование и прогнозирование процесса формирования речного стока Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Изд. РГГМУ, 2004.-198 с.

8. Коваленко, В.В. Частично инфинитное моделирование (основания, примеры, парадоксы) Текст. / В.В.Коваленко.-СПб.: Политехника, 2005-480 с.

9. Коваленко, В.В. Нелокальная гидрология Текст. / В. В. Коваленко.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2010.-97 с.

10. Коваленко, В. В. Частично инфинитный механизм турбулизации природных и социальных процессов Текст. / В.В. Коваленко .-СПб.: Изд. РГГМУ, 2006.-166 с.

11. Диалектика и атеизм: две сути несовместны Текст. / ВП СССР — СПб., 2003,—468 с.

12. Мёртвая вода. От «социологии» к жизнеречению Текст. в 2-х ч. Ч. I Историко-философский очерк / ВП СССР-Новосибирск: Китеж. Державный град России, 2004.-489 с.

13. Кудряшов, А.Ф. Онтология. Методология. Негеоцентризм. Текст. / А.Ф. Кудряшов-СПб.: Петрополис, 1993-160 с.

14. Определение теории познания (гносеологии) // Wikipedia Электронный ресурс.-Свободная энциклопедия.-М., 2013-Режим доступа: http://ru.wikipedia.org

15. Коваленко, В.В. Теория катастроф и эволюция дифференцируемых многообразий в частично инфинитной гидрологии Текст. / В.В. Коваленко-СПб.: Изд. РГГМУ, 2008.-178 с.

16. Моделирование гидрологических процессов Текст.: учебник.-Изд. 2-е исправ. и доп. / В.В. Коваленко, Н.В. Викторова, Е.В. Гайдукова-СПб.: Изд. РГГМУ, 2006.-559 с.

17. Mandelbrot, В.В. The fractal geometry of nature Техт. / B.B. Mandel-brot.-San-Francisco, USA: By W.H. Freeman and Company, 1982.

18. Божокин, C.B. Фракталы и мультифракталы Текст. / C.B. Божокин, Д.А. Паршин.-М.: Ижевск, 2001.-12 с.

19. Пайтген, Х.О. Красота фракталов Текст. / Х.О. Пайтген, П.Х. Рих-тер.-М.: Мир, 1993.-176 с.

20. Ватолин, Д. Применение фракталов в машинной графике Текст. / Д. Ватолин//Сотріиег\уог1сІ-Россия.-1995.-№ 15.-11 с.

21. Мандельброт, Б.Б. Самоаффинные фрактальные множества, Фракталы в физике Текст. / Б.Б. Мандельброт.-М.: Мир, 1988.-672 с.

22. Федер, Е. Фракталы Текст. /Е. Федер.-М.: Мир, 1991.-254 с.-(Пер. с англ.).

23. Коваленко, В.В. Частично инфинитная гидрология Текст. / В.В. Ко-валенко.-СПб.: Изд. РГГМУ, 2007.-230 с.

24. Пространственно-временные колебания стока рек СССР Текст. / Под. ред. A.B. Рождественского -JL: Гидрометеоиздат, 1988.-376 с.

25. Топографические карты Северо-Западного региона // mapstor.com Электронный ресурс.- Онлайн коллекция топографических карт / MicroGlobe LLC.-Ралеи, Сев. Каролина, США, 2012.-Режим доступа: http://poeliali.org/maps

26. Алексеев, Г.А. Методы оценки случайных погрешностей гидрометеорологической информации Текст. / Г.А. Алексеев.-JL: Гидрометеоиздат, 1975.-96 с.

27. Найденов, В.И. Нелинейная динамика поверхностных вод суши Текст. /В.И. Найденов.-М.: Наука, 2004.-318 с.

28. Калинин, Г.П. Проблемы глобальной гидрологии Текст. / Г.П. Калинин-Л.: Гидрометеоиздат, 1968.-378 с.

29. Политех, ун-та, 2009.-С.30 32.

30. Коваленко, В.В. Фоновое прогнозирование процесса формирования суточных вероятностных стоковых характеристик Текст. / Е.В. Гайдукова, B.C. Девятов // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета.-2011.-№ 18.-С.10 20.

31. Коваленко, В.В. Методика фонового краткосрочного прогнозирования изменения водности Текст. / В.В. Коваленко, Е.В. Гайдукова, Н.В. Викторова, М.Н. Громова, B.C. Девятов, Е.В. Шевнина // Метеорология и гидрология.-2012.-№ 10.-С.65 71.