№ 22-27-00633 «Исследование уровенного режима рек методами спутниковой альтиметрии и гидродинамического моделирования»

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-27-00633

Название: Исследование уровенного режима рек методами спутниковой альтиметрии и гидродинамического моделирования

Руководитель: Захарова Елена Анатольевна, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных проблем Российской академии наук, г Москва

Конкурс: Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора: 07 - Науки о Земле, 07-708 - Гидрология и водные ресурсы

Ключевые слова: уровни рек, спутниковая альтиметрия, гидродинамическое моделирование, уклоны рек, генетические составляющие уровня, максимальные уровни, ледовые заторы.

Код ГРНТИ: 37.27.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Научный контекст. Классические методы исследования уровней воды, базирующиеся на данных наблюдений гидрологических постов, в условиях разреженной сети пунктов наблюдений не обеспечивают необходимой детальности и дальнейшего развития представлений о важнейшей характеристике водного режима рек, определяющей опасность затопления. Так, слабо изученными остаются особенности уровенного режима на протяженных участках рек между гидрологическими постами, характер продольных профилей при максимальных уровнях воды, в том числе заторного генезиса, вклад отдельных факторов в формирование максимальных уровней воды, распределение отметок водной поверхности при сложной конфигурации пойм, особенно при их антропогенном освоении. Вместе с тем данная проблема может быть преодолена на основе развития комплексного подхода с использованием современных методов дистанционного зондирования и методов математического моделирования. Спутниковая альтиметрия, предназначенная изначально для наблюдений за уровнем океанов и морей, в последнее десятилетие активно используется при исследованиях водного и ледового режима заболоченных территорий (Zakharova et al., 2014), термокарстовых ландшафтов (Zakharova et al., 2018), ледового режима рек и озер (Zakharova et al., 2020 submitted, Kouraev et al., 2007, Rybushkina et al., 2014). Активно разрабатываются методы по использованию спутниковой альтиметрии в оценках расходов воды (Zakharova et al., 2020, Tarpanelli et al., 2020) и притока пресных вод в Ледовитый океан (Zakharova et al., 2019). В последнее время, в том числе в рамках подготовки к запуску гидрологического спутника SWOT (NАSA-CNES, 2022 г.), началось исследование возможностей спутниковой альтиметрии для одновременных оценок уровней и уклонов воды в реках (Bjerklie et al. 2018, Zakharova et al., 2020). При этом большая часть мировых работ, основанных на методах спутниковой альтиметрии, посвящена водным объектам, расположенным вне зоны сезонного замерзания, т.к. наличие ледостава затрудняет интерпретацию альтиметрических измерений и расчеты уровней воды. При этом именно в период ледовых явлений, при формировании ледовых заторов на многих реках России наблюдаются наивысшие уровни воды, вызывающие максимальные ущербы при затоплении. Авторами в ходе работ по проекту РФФИ 18-05-60021-Арктика была опробована методика расчетов альтиметрических уровней воды для рек России различных размеров, конфигурации берегов и пойм c учетом ледовых условий (Zakharova et al., 2019; Zakharova et al., 2020). Наряду с преимуществами спутниковых методов – большим пространственным охватом, независимостью от погодных условий, спутниковая альтиметрия в настоящее время имеет ряд ограничений, связанных с недостаточным пространственным и временным разрешением. Дальнейшее совершенствование данной методики и ее применение для решения научных и прикладных задач требует большого объема дополнительной информации, которая в ходе предлагаемого проекта может быть получена при привлечении методов гидродинамического моделирования. Гидродинамические модели с развитием вычислительных ресурсов получили широкое применение при исследованиях водного режима протяженных участков рек и позволяют воспроизводить характеристики затопления с большой детальностью [Алексеевский, 2014; Belikov, 2018, Sazonov, 2020], в том числе они применяются и для оценки уровней рек в период ледовых заторов [Kovachis et.al, 2017, Krylenko et al., 2020]. При этом на участках рек, неосвещенных данными гидрологических наблюдений, требуются дорогостоящие экспедиционные исследования как для сбора информации о батиметрии русла, так и для получения информации для задания граничных условий, калибровки и верификации моделей в разные фазы водного режима. Авторами проекта развиваются методы верификации гидродинамических моделей на основе данных о затоплении с космических снимков [Krylenko et al., 2018]. Появившаяся возможность кросс-валидации уровней полученных при гидродинамическом моделировании и рассчитанных по спутниковым измерениям повышает надежность обоих методов и детальность информации об уровнях воды на неисследованных участках рек. При этом возможно применение комбинированного подхода, когда данные спутниковой альтиметрии могут служить для верификации и задания граничных условий моделей, а построенные на основе моделей зависимости характеристик затопления от уровней воды для повышения дискретности методик обработки спутниковых наблюдений. Предлагаемый подход позволит получить новую информацию об особенностях пространственного и временного хода важнейшей характеристики затопления – уровней воды, что определяет актуальность исследования. Целю проекта является исследование закономерностей пространственной-временной изменчивости и генетических составляющих уровней воды протяженных участков ряда крупных рек России, в том числе в периоды ледовых явлений, на основе спутниковой альтиметрии и методов гидродинамического моделирования. В качестве ключевых объектов для проекта предполагается использовать участки протяженностью 100-200 км на следующих реках России : Лена, Северная Двина, Обь, Амур, Колыма . В задачи работы входят: 1. Разработка и тестирование методов интегрированного использования спутниковой альтиметрии и численного моделирования для характеристики уровенного режима рек, включая: • исследование возможностей спутниковой альтиметрии для мониторинга уровней рек в сложных гидролого-геоморфологических условиях; • разработка методов интегрированного использования гидродинамических моделей и результатов спутникового мониторинга для широкопойменных участков рек, в том числе в период формирования максимальных уровней воды при ледовых заторах; • сравнение модельных оценок и данных спутниковой альтиметрии на различных участках, оценки точности и границ применения используемых методов; • разработка методов оценки вклада различных факторов в формирование максимальных уровней воды на протяженных участках рек 2. Исследование особенностей пространственного-временной изменчивости уровней воды протяженных участков ряда крупных рек России в различных природных условиях и в различные фазы водного режима на основе разработанных методов, включая: • Исследование закономерностей формирования продольных профилей и уклонов водной поверхности протяженного участка реки, в том числе при одновременном формировании ледовых заторов на критических участках и подпорных явлениях. • Оценка вклада различных факторов в формирование максимальных уровней воды, включая подпорные эффекты при слиянии рек и влияние ледовых заторов. • Исследование закономерности формирования продольного профиля водной поверхности на реках с выраженным паводочным режимом (Амур), на участках с замедленным водоообменом пойм (Обь), в зоне вечной мерзлоты (Колыма) • Оценка особенности пространственного распределения отметок водной поверхности в пределах участков широкопойменного русла с выраженными поперечными уклонами и при значительном антропогенном изменении рельефа пойм. Научная новизна. Для ряда ключевых участков рек России с помощью спутниковых измерений впервые будут получены характеристики их уровенного режима. Впервые будут исследованы возможности спутниковой альтиметрии в контексте заторных ледовых явлений. Сравнение уровней воды по данным гидродинамического моделирования и спутниковой альтиметрии для протяженных участков крупных рек России будет выполнено впервые в рамках данного проекта.

Ожидаемые результаты
1. Характеристика возможностей и лимитов современных альтиметрических спутниковых инструментов (Jason-3 и Sentinel-3 ) для изучения уровней воды на российских реках с различными гидролого-геоморфологическими характеристиками.Сокращающееся количество гидрологических постов, особенно в удаленных и малонаселенных регионах является основным стимулом для развития дистанционных спутниковых альтиметрических методов. Необходимость в адаптации алгоритмов и методов к условиям замерзающих рек с быстрым подъемом уровня воды в весеннее время особенно важна в предверии скорого запуска альтиметрических спутников специального гидрологического назначения (SWOT, SMASH), которые повысят пространственную и временную дискретность получаемой информации. Возможности спутниковой альтиметрии в контексте заторных ледовых явлений будут исследованы впервые. 2. Результаты разработки и апробация оптимальных для гидродинамической модели методов интеграции данных спутниковой альтиметрии для характеристики уровенного режима рек. Указанные методы послужат основой для совместного применения модели и спутниковых данных для получения наиболее точных модельных уровней воды и оценок площадей затопления в критических ситуациях. 3. Результаты кроссвалидации гидродинамической модели и данных спутникового мониторинга для широкопойменных протяженных участков рек. На подобных участках рек наиболее остро стоят вопросы, связанные с недостаточностью натурных данных. Полученные результаты повысят надежность обоих методов, и детальность информации об уровнях воды на неисследованных участках рек. Сравнение уровней воды по данным гидродинамического моделирования и спутниковой альтиметрии для протяженных участков крупных рек России будет выполнено впервые в рамках данного проекта 4. Особенности пространственно-временной изменчивости уровней воды протяженных участков ряда крупных рек России в различных природных условиях и в различные фазы водного режима (в условиях затороформирования, на реках с выраженным паводочным режимом, на реках с замедленным водообменом пойм, реках в зоне вечной мерзлоты, на участках рек с выраженным антропогенным влиянием). На основе разработанных методов будет получена новая информация об особенностях пространственного и временного хода важнейшей характеристики затопления – уровней воды за современный период, в том числе специфические характеристики профилей водной поверхности при затороформировании, выраженных поперечных уклонах, значительном антропогенном изменении рельефа пойм, инструментальные измерения которых крайне ограничены. 5. Результаты оценки диапазона вклада различных факторов в формирование уровней воды на протяженных участках рек, включая оценки заторной, подпорной, антропогенной составляющей, на основе численных экспериментов с гидродинамической моделью. Анализ вклада генетических составляющих уровней воды повышает понимание природы опасных явлений и дает новые количественные оценки, позволяющие планировать хозяйственную деятельность на поймах рек.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе работы по данным 4 альтиметрических спутников (Jason-2, Jason-3, Sentinel-3A Sentinel-3B) были построены временные сери уровней воды для 55 створов, расположенных на исследуемых участках рек С.Двины, Оби, Лены, Колымы и Амура. Проверка точности спутниковых расчетов для 42 серий, расположенных недалеко от уровенных постов показала, что наибольшую точность демонстрируют измерения Sentinel-3B и затем - Sentinel-3A, на которых установлен продвинутый инструмент SAR альтиметр. Анализ точности трех алгоритмов обработки альтиметрического сигнала (ретрекеры OGOG и SAMOSA и SAMOSA+) показал, что для рек с сезонным замерзанием точность расчетов уровней при использовании SAMOSA выше точности уровней OСOG, а точность SAMOSA+ идентична точности SAMOSA. В тоже время SAMOSA+ дает меньшее количество выбросов в условиях сложного рельефа. На точность расчетов альтиметрических уровней сильно влияет морфология русла. Для сравнительно узкопойменных участков рек Амур и С.Двина точность расчетов уровней воды по спутниковым данным оказалась выше (0.45 - 0.55 м), чем для широкопойменных участков рек Колымы, Оби и Лены (0.81 - 0.96 м). Основной причиной низкой точности являются выбросы, получаемые от попадания в радарный футпринт рукавов или стариц, неравномерного пространственного замерзания и таяния льда, а также запаздывания бортового треккера в случае высоких берегов (р. Лена). В 2020 г. на орбиту Jason-3 был запущен новый альтиметрический спутник Sentinel-6. В ходе проекта была проведена адаптация методов расчета уровней рек к новой конфигурации данных нового спутника. На данный момент его измерения продемонстрировали наивысшую точность (0.26 м) для наиболее сложного из изучаемых участков, расположенного на р.Лена. В полярных широтах из-за 27-дневного периода спутниковых измерений, недостаточного для многих научных и прикладных задач, и их пространственной неравномерности встал вопрос разработки метода, позволяющего рассчитывать уровни с более высокой периодичностью на достаточно протяженном участке реки. Такой метод был разработан и опробован на р. Колыма. Для 310-км участка по данным спутников Sentinel-3B и Sentinel-3A была построена пространственно-временная двумерная статистическая модель уровня воды. Были исследованы две различные модели машинного обучения: регрессия на основе случайного леса и регрессия на основе гауссовского процесса. Наиболее точная модель на основе гауссовского процесса позволяет теперь вычислять уровень воды для любого створа на любую выбранную дату. Для улучшения точности расчетов на основе комбинирования статистического подхода и машинного обучения был разработан новый метод фильтрации выбросов. Точность расчетов уровней по данной модели составила 0.79 м, а после фильтрации - 0.73 м. Достоинством данной модели служит возможность расчетов уникального гидрологического параметра, натурные измерения которого локальны и трудоемки - уклона водной поверхности. Для изучаемого участка Колымы были получены продольные профили улона воды на период 2018- 2020. Для нижнего течения реки Колымы была адаптирована одномерная гидродинамическая модель MIKE11. Модель была откалибрована по данным в.п. Колымское в верхней части участка. Верификация модельных уровней по длине участка проводилась на основе данных альтиметрии. Результаты калибровки и верификации модели по альтиметрическим данных на 7 створах показали, что модель хорошо воспроизводит уровни на всем 167 км протяжении участка. Коэффициент корреляции между модельными и спутниковыми рядами уровней был не ниже 0.80 (0.80- 0.91). В свободный ото льда период, коэффициенты корреляции выше (0.82 - 0.95). Среднее отклонение временных серий летом изменяется в диапазоне 0.20 - 2.63 м, а среднеквадратическая ошибка составляет 0.77 - 2.75 м. Одним из немаловажных результатов для р. Колымы является совпадение модельных уровней воды, полученных без учета шероховатости льда, со спутниковыми уровнями (ошибка 0.23 м). Это свидетельствует о том, что ретрекинг "SAMOSA" позволил воспроизвести подледную отметку уровня воды. Другая ситуация наблюдается на р. С.Двине, где ледостав сопровождается оттепелями. Здесь спутниковые уровни совпадали с отметками воды с учетом толщины льда, т.е. спутниковый сигнал не проходит через торошенный лед с подледной шугой. Для широкопойменного, освоенного участка р. Оби у г. Сургут протяженностью около 70 км и шириной долины до 32 км была адаптирована двумерная гидродинамическая модель STREAM_2D. В расчетной сетке модели учтено более 15 наиболее значимых дорог, оказывающих влияние на движение потока по пойме. На нижней границе модели протока Юганская Обь и основное русло р. Оби гидравлически не связаны и имеют существенный (более 0.5 м) перепад уровней, поэтому в модели заданы два нижних граничных условия – по основному руслу р. Оби и по протоке Юганская Обь, данные об уровнях для этих границ задаются с учетом альтиметрических измерений, которые также диагностируют существенную разницу уровней рукавами Обь и Юганская Обь. Проведенные за 2019-2020г. тестовые расчеты говорят о перспективности такого способа интеграции спутниковых данных в гидродинамическую модель. Качество моделирования в контрольной точке р.Обь - г.п. Сургут по критерию NSE превышало 0.95. Существенно расширен участок моделирования для р.Лены, дополнительно к существующей модели от г.п. Табага до г.п. Кангалассы в отчетном периоде впервые подготовлена цифровая модель рельефа и построена расчетная сетка участка от Кангалассы до устья р. Алдан протяженностью 155 км. При калибровке модели была промоделирована ситуация паводка 1го августа 2016г. при расходе воды р. Лены 30000 м3/с для всего участка от г.п. Табага до устья Алдана. Для дальнейшей верификации модели впервые в летний период на р.Лене в районе г. Якутск были установлены логгеры-самописцы уровня воды, приобретенные в рамках проекта. Для ключевого участка узла слияния р. Амур и Зея двумерная гидродинамическая модель была актуализирована с учетом сооружений, построенных в последние 5 - 8 лет: мосты через р. Амур и Зея, комплекс дамб и плотин вокруг китайского острова Б. Хейхэ. Калибровка и верификация модели выполнены для выдающихся паводков 1984 и 2013гг, впервые проведена реконструкция динамики потока в ходе выдающегося паводка июня 2021г, приближающегося по уровням воды к историческим максимумам. Для кроссвалидации адаптированных гидродинамических моделей и данных спутникового мониторинга было проведено сравнение уровней воды в местах пересечения треков и речных русел (6-7 контрольных точек на каждый участок). Сравнение было проведено для р. Оби за 2019-2020г, для р. С.Двины за 2020г, для р. Лены за 2020-2021г, для рр. Амур и Зея за 2021г. Было получено хорошее совпадение модельных и спутниковых уровней воды. Сравнение с данными режимных наблюдений во всех случаях демонстрирует высокий NSE (>0.85). Для оценки вклада различных факторов в формирование уровней воды на протяженных участках рек разработано два типа численных экспериментов: 1) с подключением и без подключения ледового блока гидродинамической модели для оценки вклада ледовых явлений (включая ледовые заторы) в повышение уровней воды; 2) серия численных экспериментов во всем диапазоне расходов воды в узлах слияния для оценки вклада подпорных явлений. На примере выдающегося затора с 16го по 21 мая 2018г. на р. Лена показан, что вклад ледового затора в повышение уровней воды по длине участка может превышать 3.5 - 4м. На примере узла слияния рек Амура и Зеи показано, что во всем диапазоне наблюдаемых расходов, подпорное взаимодействие потоков оказывает существенное влияние на уровни воды. Для поста Амур - Благовещенск выявлено, что величина подпорного повышения может превышать на пике половодья 1.5м – 2м в случае, если расходы воды р. Зеи сопоставимы или превышают расходы р. Амур.

Публикации

1. Захарова E.А., Крыленко И.Н., Сазонов А.А. , Семенова Н.К., Лисина А.А. Уровенный режим арктических рек по данным моделирования и спутниковых измерений Гидрология и Метеорология, - (год публикации - 2023).