Водный режим рек Европейской территории России и его изучение на основе модели формирования стока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат географических наук Антохина, Елена Николаевна

• Антохина, Елена Николаевна
• кандидат географических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат географических наук Антохина, Елена Николаевна

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Математическое моделирование характеристик водного режима рек.

ГЛАВА 2. ИМК ЕСОМАС, его структура и принципы работы.

2.1. Основные блоки моделирующего комплекса.

2.2. Информационное обеспечение комплекса.

2.2.1. Базы данных.

2.2.2. ГИС-обеспечение речных бассейнов.

2.2.3. Базы данных гидрометеорологической информации.

2.3. Схематизация водосбора.

2.4. Параметры модели и их оценка.

ГЛАВА 3. Особенности формирования стока и водного режима исследуемых рек и водохранилищ.

3.1. Река Ока. Москворецкие водохранилища.

3.2. Река Белая. Павловское водохранилище.

3.3. Бассейн Цимлянского водохранилища.

3.4. Реки Севера: Северная Двина, Мезень и Печора.

ГЛАВА 4. Особенности использования гидрометеорологической информации в задачах моделирования стока.

4.1. Критерии эффективности моделирования и прогнозирования стока

4.2. Обеспечение модели метеорологической информацией.

4.3. Оценка динамики снежного покрова на водосборах северных рек.

ГЛАВА 5. Моделирование гидрографов стока рек в различных природных зонах.

5.1. Влияние масштаба цифровой модели рельефа на результаты моделирования стока (на примере рек бассейна Оки).

5.2. Моделирование стока р. Белой и притока воды к Павловскому водохранилищу.

5.3. Моделирование притока воды к Цимлянскому водохранилищу. j 3q

5.4. Оценка точности моделирования стоковых характеристик в бассейнах северных рек ЕТР.^ ^

5.5. Физико-географическое обоснование параметров модели.

ГЛАВА 6. Опыт применения результатов моделирования для составления краткосрочных прогнозов расходов воды рек и притока воды к водохранилищам.

6.1. Краткосрочные прогнозы гидрографов стока северных рек ЕТР.

6.2. Краткосрочные прогнозы притока воды к Москворецким водохранилищам.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «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, 1993г.), 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 стока; предложена методика предмодельного анализа исходной гидрометеорологической информации; разработан и проверен алгоритм корректировки краткосрочных прогнозов расходов воды рек; разработана 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.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Антохина, Елена Николаевна

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

Список литературы диссертационного исследования кандидат географических наук Антохина, Елена Николаевна, 2012 год

1. Алексеевский Н.И., Жук В.А., Иванов В.Ю., Фролова H.JI. Особенности формирования и расчета притока воды к тракту Москворецкого водоисточника // Водные ресурсы. М., 1998. Т. 25. № 2. С. 146-151.

2. Апполов Б.А., Калинин Г.П., Комаров В.Д. Курс гидрологических прогнозов. — JL: Гидрометеоиздат, 1974 419 с.

3. Балков В. А. Влияние карста на водный баланс и сток // уч. зап. Пермского унта, №12. Гидрология. Пермь, 1964.

4. Беликов В.В., Милитеев А.Н., Прудовский A.M., Родионов В.Б. Компьютерная гидравлическая модель речного бассейна основа определения ущербов народному хозяйству от наводнений // Безопасность энергетических сооружений. Вып. 11- М.: РАО «ЕЭС России», 2003.

5. Бельчиков В.А., Корень В.И. Модель формирования талого и дождевого стока для лесных водосборов // Тр. Гидрометцентра СССР М.: 1979, Вып. 128. С.3-21.

6. Болгов М.В., Мишон В.М., Сенцова Н.И. Современные проблемы оценки водных ресурсов и водообеспечения. М.: Наука, 2005. 318 с.

7. Бураков Д.А. Кривые добегания и расчет гидрографа весеннего половодья. — Томск: Томский госуниверситет, 1978. 129 с.

8. Бураков Д.А., Карепова Е.Д., Шайдуров В.В. Математическое моделирование стока: теоретическое основы, современное состояние, перспективы // Вестник КрасГУ. Красноярск: 2006, №4. с. 3-19.

9. Бураков Д.А., Кашкин В.Б., Сухинин А.И., Ромасько В.Ю., Ратненко И.В. Методика определения заснеженности речного бассейна по спутниковым данным для оперативных прогнозов стока // Метеорология и гидрология. -М.: 1996, №8. С.100-109.

10. Виноградов Ю.Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. JI.: Гидрометеоиздат, 1988. - 312 с.

11. Виноградов Ю.Б., Виноградова Т.А. Современные проблемы гидрологии. М.: «Академия», 2008. - 319 с.

12. Вода России. Речные бассейны // под ред. A.M. Черняева, ФГУП РосНИИВХ.л

13. Екатеринбург: Издательство «АКВА-ПРЕСС», 2000. 536 с.

14. Гарцман Б.И. Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока. Методы расчетов, прогнозов, оценок риска. Владивосток: «Дальнаука», 2008. -221с.

15. Гельфан А.Н. Динамико-стохастическое моделирование формирования талого стока. М.: Наука, 2007. - 294 с.

16. Геоэкологическое состояние арктического побережья России и безопасность природопользования (под ред. Н.И. Алексееевского). М.: ГЕОС, 2007. -585 с.

17. Гусев Е.М., Насонова О.Н. Моделирование тепло-и влагооборота поверхности суши с атмосферой. М.: Наука, 2010. - 327 с.

18. Жук В.А., Фролова H.JL Расчет стока малых рек и притока воды к Истринскому водохранилищу на основе модели формирования стока // Малые реки России. М.: МЦ ГО РФ, 1994. С.146-154.

19. Карионов Ю.И. Оценка точности матрицы высот БЯТМ // GEOPROFI.RU-электронный журнал по геодезии, картографии и навигации. М., 2010. №1, с. 48-51. Режим доступа:http://www.geoprofi.ru/default.aspx?mode=binarv&id=l 168

20. Карта почв // Почвенный институт им. В.В. Докучаева. М.: ГУГК, 1990.

21. Карта растительности // Почвенный институт им. В.В. Докучаева. М.: ГУГК, 1990.

22. Корень В.И. Математические модели в прогнозах речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 200 с.

23. Корень В.И., Кучмент Л.С. Математическая модель дождевого стока, оптимизация ее параметров и использование в гидрологических прогнозах // Метеорология и гидрология.- 1969, №11.- С. 69-77.

24. Кучмент Л.С, Гельфан А.Н. К определению параметров физико-математических моделей формирования речного стока при недостаточности гидрологических наблюдений // Метеорология и гидрология. -М., 2005, №12, с.77-87.

25. Кучмент Л.С, Гельфан А.Н., Демидов В.Н. Модель формирования стока на водосборах зоны многолетней мерзлоты (на примере верхней Колымы) // Водные ресурсы, 2000,27(4), с. 435-444.

26. Кучмент Л.С., Демидов В.Н., Мотовилов Ю.Г. Формирование речного стока. Физико-математические модели. -М.: Наука, 1983. 216 с.

27. Кучмент Л.С. Математическое моделирование речного стока. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 191 с.

28. Кучмент JI.C., Мотовилов Ю.Г., Назаров Н.А. Чувствительность гидрологических систем. Влияние антропогенных изменений речных бассейнов и климата на гидрологический цикл. М.: Наука, 1990. - 144 с.

29. Кучмент JI.C. Речной сток (генезис, моделирование, предвычисление). М.: ИВП РАН, 2008.-394 с.

30. Мишон В.М., Болгов М.В., Сенцова Н.И. Бассейн Верхнего Дона: гидрография, гидрология и водные ресурсы // Труды научно-исследовательского института геологии Воронежского государственного университета. Вып. 23. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2005. - 139 с.

31. Мишон В.М. Водохранилища Центрального Черноземья: водные ресурсы, гидролого-экологические проблемы Воронеж // Труды научно-исследовательского института геологии Воронежского государственного университета. Вып. 2. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2004. - 137 с.

32. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши // Государственный водный кадастр. Том 1, вып.З. Бассейн Дона. JL: Гидрометеоиздат, 1986. - 559 с.

33. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши // Государственный водный кадастр. Том 1, вып.23. Бассейн Волги (верхнее течение). JL: Гидрометеоиздат, 1986.

34. Многолетние данные о режиме и ресурсах поверхностных вод суши // Государственный водный кадастр. Том 1, вып.25. Бассейн Камы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

35. Мотовилов Ю.Г., Дмитриев Е.С., Беднарук С.Е., Герасимов C.B., Егоров В.М. Автоматизированная информационно-управляющая система (АИУС) «Водные ресурсы». // в сб. «Водные ресурсы. Проблемы и пути их решения». Йошкар-Ола, 2003, с.17-40.

36. Мотовилов Ю.Г. Информационно-моделирующий комплекс ECOMAG для моделирования речных бассейнов // VI Всероссийский гидрологический съезд: тезисы докл. СПб, 2004, с. 139.

37. Мотовилов Ю.Г. Моделирование снежного покрова и снеготаяния // кн. "Моделирование гидрологического цикла речных водосборов". М.: РАН, 1993.

38. Мухин В.М, Полунин А.Я. Методические указания к разработке метода краткосрочного прогноза расходов воды горных рек на основе математической модели формирования стока. М: Гидрометеоиздат, 1982. -149 с.

39. Назаров H.A. Модель формирования гидрографа половодья северных равнинных рек // Водные ресурсы, 1988, №4. С.5-16

40. Научно-прикладной справочник по климату СССР // Серия 3: Многолетние данные. Ч. 1-6, вып. 8: Москва и Московская область. М., 1990. - 256 с.

41. Никаноров A.M., Иванов В.В., Брызгало В.А. Реки российской Арктики в современных условиях антропогенного воздействия. Ростов-на-Дону: Изд-во «НОК», 2007. - 280 с.

42. Основные гидрологические характеристики // Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 3. Северный край. JL: Гидрометеоиздат, 1979.

43. Основные гидрологические характеристики // Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 7. Донской район. Л.: Гидрометеоиздат, 1975.

44. Основные гидрологические характеристики // Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 10. Верхне-Волжский район. JI.: Гидрометеоиздат, 1979.

45. Основные гидрологические характеристики // Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 11. Средний Урал и Приуралье. Вып. 1. JL: Гидрометеоиздат, 1979.

46. Почвы Московской области и их использование. Том 1 // Почвенный институт им. В.В. Докучаева М.: ГУГК, 2002. - 500 с.

47. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 11. Средний Урал и Приуралье. Д.: Гидрометеоиздат, 1973.

48. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 3. Северный край. JL: Гидрометеоиздат, 1972.

49. Ресурсы поверхностных вод СССР. Том 10. Верхнее-Волжский район, Книга 1. -М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1973.

50. Руководство по гидрологическим прогнозам. Краткосрочный прогноз расхода и уровня воды на реках // Вып. 2. JI: Гидрометеоиздат, 1989. - 245 с.

51. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Издание официальное. -М.: Госстрой России, 2004, 73 с.

52. Motovilov Yu., Gottschalk, K.Engeland and A.Belokurov. ECOMAG regional model of hydrological cycle. Application to the NOPEX region. Department of Geophysics, University of Oslo, Institute Report Series no. 105, May 1999, 88 p.

53. The Global Land One-km Base Elevation Project (GLOBE) // NOAA: National geophysical data center. Available at:http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/topo/globe.html.

54. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models: 1 A discussion of principles // J. Hydrol. 1970. V. 10, N 3. P. 282-290.