Новое поколение моделей, методов и технологий для противодействия современным угрозам водной безопасности

Статус: Текущий

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.

Fig1.jpg


Fig2.jpg

 

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)

Fig3.jpg   

Б)

   Fig4.jpg

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

 

Fig5.jpg

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

Fig6.jpg

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

Fig7.jpg 


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.

2019-09-14 10-09-07.JPG

IMG_20190909_174611.jpg

IMG_20190909_174600.jpg



Дата публикации: 04.03.2020



Все проекты