Новое поколение моделей, методов и технологий для противодействия современным угрозам водной безопасности
Статус: Текущий
Файлы: Array
Номер гранта: |
17-77-30006 |
Область научного знания: |
Науки о Земле |
Тип конкурса: |
(Президентский конкурс поддержки лабораторий мирового уровня) |
Год выполнения: |
2019г. |
Руководитель: |
Соломатин Д.П. |
Статус заявки: |
поддержана |
Аннотация к заявке:
Актуальность тематики проекта связана с его направленностью на совершенствование на базе современных математических моделей существующих методов водохозяйственных расчетов и гидрологических прогнозов, оценки риска опасных гидрологических явлений, оценок и прогнозов качества вод, методов планирования водопотребления, управления действующими водноресурсными системами – этих и других задач, методические основы решения которых были разработаны несколько десятилетий назад и опирались, в основном, на обработку имеющихся данных наблюдений. Возможности модернизации методической базы решения перечисленных задач приобретают особую актуальность в связи с повышением требований к обеспечению водной безопасности на фоне меняющихся условий формирования водного режима, поскольку существующие инженерные подходы основаны на гипотезе стационарности климата и антропогенных воздействий на речной бассейн и могут давать существенные погрешности в условиях, отличающихся от ранее наблюдавшихся. Реализация указанных возможностей путем создания нового поколения методов и технологий решения наиболее актуальных проблем водной безопасности в крупных речных бассейнах России станет основным результатом настоящего проекта. Научная новизна поставленных в проекте задач связана с его направленностью на построение единой методической базы решения современных проблем водной безопасности, опирающейся на систему математических моделей формирования речного стока и качества вод суши в сочетании с моделями функционирования водноресурсных систем, современными автоматизированными системами анализа данных, и их программной реализацией.
Планируется решить 4 группы задач (более подробное их описание содержатся в форме 4 настоящей заявки):
1. Научно-исследовательские задачи, включающие: (1) разработку системы гидрологических и гидродинамических моделей, моделей управления водными ресурсами и качеством вод для решения диагностических и прогностических задач гидрологии речных бассейнов, (2) модернизацию на базе разработанных моделей методической базы существующих неструктурных мер по противодействию угрозам водной безопасности.
2. Технологические задачи, включающие создание действующих информационно-моделирующих комплексов и технологий, опирающихся на разработанную методическую базу неструктурных мер по противодействию угрозам водной безопасности
3. Прикладные задачи, состоящие в практическом применении разработанных методов и технологий нового поколения, создании программных комплексов для решения проблем водной безопасности в крупных речных бассейнах России,
проведении патентных исследований и внедрении разработанных технологий в оперативную практику профильных министерств, ведомств, акционерных обществ и др., в том числе, организации осуществляющей софинансирование проекта
4. Образовательные задачи, состоящие в создании на базе существующей лаборатории образовательных структур для обучения студентов, аспирантов и специалистов применению технологий нового поколения для решения проблем водной безопасности в крупных речных бассейнах России
Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:
Мегагрант получен в августе 2017 года в рамках Президентского конкурса поддержки лабораторий мирового уровня. Реализация проекта осуществляется силами сотрудников Отдела гидрологии речных бассейнов ИВП РАН, сотрудников МГУ им. М.В. Ломоносова и Тимирязевской академии. В 2019 получен ряд значимых научных результатов, в том числе следующие.
Блок работ по развитию методической базы
· Методически усовершенствована адаптация сценарных расчетов к текущей гидрометеорологической обстановке в части их корректировки с учетом данным о фактических запасах воды в снеге, стока за предыдущий период регулирования и официальных прогнозов Гидрометцентра России. Это позволило получать оценки (прогнозы) притока, которые показали хорошую сходимость с наблюденными величинами, и использовать их при оперативном управлении Волго-Камским каскадом.
· Продолжены работы по созданию методики и программного обеспечения, предназначенных для решения обратной гидрологической задачи на основе теории нечетких множеств. Была детально проработана методика оптимизации для случаев одного, двух и нескольких параметров, в том числе неоднородных по своей природе.
· Разработаны методические рекомендаций по инженерно-гидрологическим изысканиям при недостатке данных гидролого-гидрохимических наблюдений, с учетом специфических особенностей проектирования, включая концептуальные основы, организацию и техническое обеспечение, а также подробное изложение методики ЕММА анализа источников питания речного стока и моделирования качества воды на основе моделей смешения 3х и 4х источников. Дан обзор результатов натурных изысканий на малых экспериментальных бассейнах в различных географических условиях (бассейны Уссури, Гилюя, Байкала, Западной Двины).
Блок работ по развитию технологий гидрологических расчетов и прогнозов
· Выполнено усовершенствование исходного кода модели STREAM_2D на основе нового алгоритма решения задачи Римана для уравнений мелкой воды на неровном дне. На основании испытательных прогонов на данных автоматизированной сети наблюдений по малым рекам регионов Дальнего Востока и Северного Кавказа проведено сопоставление с натурными данными и результатами работы программы KW-GIUH (Тайвань), выявлен ряд преимуществ модели STREAM_2D.
· Созданы проекты гидрологических моделей ECOMAG и SWAT для бассейна р. Уссури, калибровка и расчеты по данным наблюдательной сети ПУГМС и на основе выходной продукции моделей GFS и WRF
· Усовершенствованы графический интерфейс и исходный код автоматизированной системы гидрологического мониторинга и прогноза (АСГМ) с целью улучшения представления результатов гидрологического моделирования
· Усовершенствован исходный код модели KW-GIUH и выполнено ее объединение с моделями GFS, SWAT и STREAM2D с целью создания системы прогнозирования и предупреждения о быстроразвивающихся паводках, с испытательными прогонами на данных автоматизированной сети наблюдений по малым рекам регионов Дальнего Востока и Северного Кавказа
Блок прикладных работ
· Выполнено численное моделирование гидродинамического режима в зонах затопления, оценка социально-экономических и экологических рисков и эффективности защитных мероприятий при возможных природных и техногенных сценариях развития наводнений на селитебных территориях в бассейнах ряда крупных рек. Рассмотрены р. Сев. Двина у г.Великий Устюг; р. Лена у г. Якутска; р. Амур на участке слияния Зеи и Амура у г. Благовещенска; р. Волга у г. Нижний Новгород; участок Нижнего Дона от Кочетовского гидроузла до Таганрогского залива. Впервые разработана двумерная (в плане) численная гидродинамическая модель русла и долины р. Амур от впадения р.Зеи до Амурского лимана.
· Проведены испытания краткосрочного прогноза стока р. Уссури на основе модели формирования речного стока в ее бассейне и с использованием краткосрочных метеорологических прогнозов по мезомасштабной метеорологической модели. Получены результаты разработки «корректора ошибок» на основе применения методов машинного обучения и искусственного интеллекта.
· Испытаны краткосрочные прогнозы быстроразвивающихся паводков на малых реках в регионах Северного Кавказа и юга Дальнего Востока с использованием современных данных автоматизированной гидрометеорологической сети – результаты моделирования выдающихся паводков с использованием моделей KW-GIUH и STREAM2D, на основе данных метеорологических радаров и оперативных моделей атмосферы.
· Ансамблевый долгосрочный прогноз притока воды в водохранилища средней Волги (Горьковское, Чебоксарское) с учетом вероятностных сезонных прогнозов погоды – результаты испытаний алгоритма прогноза с использованием прогнозов, предоставляемых Copernicus Climate Change Service (C3S) https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/seasonal-postprocessed-single-levels .
Фотогалерея:
Адаптация сценарных водохозяйственных расчетов к текущей гидрометеорологической обстановке в части их корректировки с учетом данным о фактических запасах воды в снеге, стока за предыдущий период регулирования и официальных прогнозов Гидрометцентра России. Получены оценки (прогнозы) притока, которые показали хорошую сходимость с наблюденными величинами, и использовать их при оперативном управлении Волго-Камским каскадом.
Испытания краткосрочных прогнозов быстроразвивающихся паводков на малых реках юга Дальнего Востока с использованием современных данных автоматизированной гидрометеорологической сети, результаты моделирования выдающихся паводков с использованием моделей KW-GIUH и STREAM-2D на основе данных метеорологических радаров и оперативных моделей атмосферы.
А)
|
Б)
|
А). Положение радара, 50-км радиус; метеостанции Приморского УГМС; водосбор р.Амба-с.Занадворовка; зона прямой видимости луча радара
Б). Часовые поля осадков (больше 5 мм/ч) рассчитанные на основе данных ДМРЛ
Часовые осадки, фактический и расчетные гидрографы стока, полученные на моделях KW-GIUH и STREAM-2D с использованием данных ДМРЛ. Р.Амба-с.Занадворовка, исторический паводок 2017 года.
Результаты численного моделирования гидродинамического режима в зонах затопления, оценка социально-экономических и экологических рисков и эффективности защитных мероприятий при возможных природных и техногенных сценариях развития наводнений в бассейнах ряда крупных рек
Разница рассчитанных на основе модели STREAM_2D глубин затопления у г.Великий Устюг при 1% уровнях заторного генезиса в современных условиях и при наличии защитной дамбы
Фрагмент рассчитанного на основе модели STREAM_2D поля скоростей течения у г. Комсомольск на Амуре на пике наводнения 2013 года.
В рамках проекта проведена Школа молодых ученых «Моделирование и прогнозы речного стока, управление гидрологическими рисками: к новому поколению методов», 9-14.09.2019, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46, Институт прикладной физики РАН.
Научные публикации
4. Калугин А.С., Мотовилов Ю.Г. Модель формирования стока для бассейна реки Амур // Водные ресурсы. 2018. Т.45. №2. С. 149–159. https://doi.org/10.7868/S0321059618020013
Результаты интеллектуальной деятельности
Результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в процессе выполнения проекта, представлены в виде специализированных баз данных и программ, подлежащих государственной регистрации и сертификации. По итогам выполнения проекта получены следующие документальные подтверждения РИД:
1. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2018660255 «ECOMAG-HM», автор Ю.Г.Мотовилов, дата гос. регистрации 21.08.2018.
2. Государственная регистрация программы для ЭВМ №2020660617 «Решатель задачи Римана для уравнений мелкой воды с разрывным дном», авторы А.И.Алексюк, М.А.Малахов, В.В.Беликов, дата гос. регистрации 08.09.2020.
3. Государственная регистрация программы для ЭВМ №2020618769 «Имитационная модель функционирования водохозяйственных систем VOLPOW», автор С.Е.Беднарук, дата гос. регистрации 04.08.2020.
4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 20206б3840 «Модель функционирования водохранилищ, использующая номограммы динамических объемов DinVol (DinVol)», автор С.Е.Беднарук, дата гос. регистрации 03.11.2020.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы базы данных №2020621605 «Сведения об источниках и факторах формирования диффузного загрязнения в бассейне Иваньковского водохранилища», авторы Н.В.Кирпичникова, Т.Б.Фащевская, Ю.Д.Черненко, А.Н.Елизарьев, Д.Н.Вардаков, дата гос. регистрации 02.09.2020.
6. Государственная регистрация базы данных, охраняемой авторскими правами №2020622193 «База данных для регионального гидрологического моделирования на территории Российской Федерации», авторы В.М.Морейдо, А.Н.Амербаев, дата гос. регистрации 09.11.2020.
7. Государственная регистрация программы для ЭВМ №2020664158 «DB2BAS: Программа для подготовки исходных метеорологических данных для региональной гидрологической модели ECOMAG», авторы В.М.Морейдо, А.Н.Амербаев, дата гос. регистрации 09.11.2020.
Внедрение научных результатов
Результаты научных исследований и разработок, полученные в процессе выполнения проекта, в виде моделей, методов и технологий, внедрялись в оперативную практику профильных министерств, ведомств, акционерных обществ и др., в том числе партнерской организации, осуществляющей софинансирование проекта (ООО "Гидротехпроект"). По итогам выполнения проекта получены следующие документальные подтверждения внедрения:
1. Письмо о внедрении Федерального агентства по водным ресурсам (Росводресурсы) № ВН-02-28/7748 от 09.11.2020.
Внедрение Росводресурсы_ВН-02-287748.pdf
2. Письмо о внедрении ФБГУ Гидрометцентр России № К-992 от 28.10.2020.
Внедрение Гидрометцентр_К-992.pdf
3. Письмо о внедрении ФБГУ РосНИИВХ № 353-20 от 01.10.2020.
4. Письмо о внедрении МГУ им.Ломоносова
5. Техническое задание и акты приемки работ по договору на выполнение НИР «Анализ опасности наводнений и гидродинамическое моделирование опасного развития гидрологической обстановки на территории Тулунского района Иркутской области (в рамках Государственного контракта № 05-66-57-41/19 от 02 августа 2019 г. «Исследование и комплексный анализ факторов опасного развития гидрологической обстановки и разработка научно обоснованных рекомендаций для предотвращения катастрофических паводков, и обеспечения безопасности территорий Тулунского района Иркутской области»). Этап 1 и 2.» Исполнитель ФГБУН ИВП РАН, 2019-20 гг.
Внедрение Отчет Тулун_документы.pdf
6. Выписка из протокола заседания НТС ООО НПО «Гидротехпроект» от 07.02.2018 о внедрении результатов НИОКР, полученных по договору софинансирования проекта РНФ 17-77-30006 в 2017 г.
Внедрение_Дог_Гидротех_2017.pdf
7. Выписка из протокола заседания НТС ООО НПО «Гидротехпроект» от 05.02.2019 о внедрении результатов НИОКР, полученных по договору софинансирования проекта РНФ 17-77-30006 в 2018 г.
Внедрение_Дог_Гидротех_2018.pdf
8. Выписка из протокола заседания НТС ООО НПО «Гидротехпроект» от 04.02.20 о внедрении результатов НИОКР, полученных по договору софинансирования проекта РНФ 17-77-30006 в 2019 г.
Внедрение_Дог_Гидротех_2019.pdf
Дата публикации: 04.03.2020