Введение к работе
Актуальность данного исследования связана с созданием современных гидрологических моделей, учитывающих развитие информационных технологий, отвечающих особенностям данных дистанционного зондирования и расчетных данных моделей климата и гидродинамических моделей атмосферы. Работа является частью общего направления интеграции научных разработок и технологий для создания структурной основы и средств параметрического наполнения гидрологических моделей универсального применения.
Математическое моделирование процессов формирования речного стока составляет базовый исследовательский и инженерный инструментарий современной гидрологии. Несмотря на ряд несомненных успехов моделирования и довольно широкое внедрение моделей в практику, остается неразрешенным ряд задач, указывающих на принципиальные трудности традиционных подходов к проблеме. Наиболее важными среди таких задач являются: оценка режима экстремальных гидрологических событий, в первую очередь паводков; использование гидрологических моделей на неизученных бассейнах; перспективный прогноз гидрологического режима при ожидаемых изменениях климата и ландшафтов.
Дальнейшее развитие гидрологических моделей, адекватно отражающих сильную нелинейность экстремальной динамики речных систем, особенности их адаптации в условиях нестационарного климата и сложность пространственного строения, требует взаимоувязанного расширения теоретической и информационной базы. Необходимо привлечение нового массива данных, достаточно доступных и надежных, включающих информацию о неизученных бассейнах и редких гидрологических событиях, допускающих органичное развитие теории моделирования - данных о структуре речных систем.
Целью работы является разработка и адаптация методологических подходов к определению структурно-гидрографических характеристик речных бассейнов, обеспечивающих эффективную работу гидрологических моделей.Основные научно-исследовательские задачи формулировались следующим образом:
Разработка и реализация концепции структурного представления бассейна в виде иерархий частных водосборов по данным цифровой модели рельефа (ЦМР) для учета пространственного распределения гидрологических характеристик и начальных условий.
Разработка и реализация базы данных структурных, гидрографических и геоморфологических характеристик.
Апробация методики анализа ЦМР на примере крупных речных систем в бассейне Амура.
Усовершенствование модели геоморфологического мгновенного единичного гидрографа (KW-GUIH) за счет учета параметров, полученных по индивидуальным структурным элементам речного
бассейна.
Адаптация методики определения эффективных осадков при расчете гидрографов стока с помощью модели KW-GUIH.
Апробация усовершенствованной модели с использованием данных бывшей Приморской водобалансовой станции.
Методической основой структурно-гидрографического и
морфометрического анализа являются алгоритмы, реализованные на базе ГИС технологий (ERDAS IMAGINE 9.1, ESRI ARCMAP 9.3) и оригинальных программных компонент разработанных в среде DELPHI 7. В качестве базовой СУБД применялась MS Access. Методической основой, используемой при расчете гидрографов дождевого стока, является модель KW-GUIH, разработанная К.Т. Ли с соавторами, прошедшая широкую апробацию за рубежом. Испытание модели в России впервые выполнено автором диссертации. В работе использованы известные методы математического моделирования, а также общепринятые методы статистического и географического анализа.
Объектами исследования являются разнопорядковые речные системы, расположенные в пределах бассейна Амура и прилегающем бассейне северозападного побережья Японского моря. Среднемасштабная ЦМР на всю исследуемую территорию создана на основе данных SRTM (Shuttle Radar Topographic Mission). Для тестовых испытаний различных версий модели KW-GIUH были использованы опубликованные данные бывшей Приморской воднобалансовой станции (ПВБС).
Научная новизна. Впервые разработана универсальная методология и технология обработки глобальных цифровых покрытий ЦМР для массового структурно-гидрографического и морфометрического анализа речных бассейнов. В результате автоматизированной обработки рельефа создаются детализированные базы структурных, гидрографических, морфометрических и гидравлических параметров водосборов. В совокупности это принципиально улучшает возможности типизации бассейнов, по сравнению с традиционно используемым ограниченным набором интегральных бассейновых характеристик.
Усовершенствована модель KW-GUIH путем учета пространственной неоднородности, как параметров водосборов, так и осадков. В рамках решения частных задач впервые:
разработана архитектура базы данных структурных, морфометрических, гидравлических и гидрографических характеристик речных систем, описывающих их во всех точках слияния в замыкающем створе; получены генерализированные бассейновые характеристики в виде функций распределения средней высоты, среднего уклона и площади вдоль главного русла и на одинаковом удалении от замыкающего створа;
предложена принципиальная схема типизации исследуемых бассейнов на основе распределения суммарного индекса напряжения сдвига от расстояния до замыкающего створа.
Предметом защиты является комплекс технологических и методических разработок для структурно-гидрографического анализа речных систем и параметризации пространственно-распределенных гидрологических моделей, в том числе:
Методика и технология автоматизированной обработки глобальных
покрытий ЦМР для структурно-гидрографического и
морфометрического анализа речных бассейнов.
Архитектура географической базы данных морфометрических, гидравлических и структурно-гидрографических характеристик речных бассейнов, получаемых на основе объективного анализа цифровых моделей рельефа, с применением стандартных процедур, предлагаемых современными ГИС, и оригинального программного комплекса. Результаты опытного структурно-гидрографического анализа речных систем бассейна Амура и принципиальная схема их типизации на основе распределения суммарного индекса напряжения сдвига (shear stress) от расстояния до замыкающего створа
Усовершенствованная модель геоморфологического мгновенного единичного гидрографа (KW-GUIH).
Результаты тестирования различных версий модели KW-GIUH с применением данных приборов с непрерывной записью ПВБС, пространственно-распределенных данных об осадках и гидравлических характеристик подстилающей поверхности.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов диссертации подтверждается использованием современной информационной и методической основы при анализе рельефа, данных детальных гидрологических наблюдений Приморской воднобалансовой станции при имитационном моделировании и хорошей согласованностью результатов с фактическими данными.
Практическая значимость. Результаты, полученные при апробации разработанных методик, адекватно описывают физические процессы, происходящие на водосборах, и могут быть использованы при разработке методов прогнозирования дождевых паводков. Использованные в работе сторонние программы и алгоритмы являются на данный момент индустриальными стандартами, используемыми в международной практике научных исследований и инженерных изысканий подобного рода. При разработке оригинального программного кода использовались концепции и характеристики стандартной архитектуры информационных технологий, и учитывалась современная логика взаимодействия приложений, что, несомненно, обеспечит быструю адаптацию предлагаемых решений в практических приложениях и обеспечит конечным пользователям большую свободу в выборе средств анализа и представления результатов.
Апробация работы. Основные положения и выводы диссертации докладывались автором на следующих конференциях: Всероссийском гидрологическом съезде (СПб, 2004), региональной конференции «Научные основы экологического мониторинга водохранилищ» (Хабаровск, 2005),
региональных молодежных конференциях «Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке» (Владивосток, 2006, 2008), XIII совещании географов Сибири и Дальнего Востока (Иркутск, 2007), Генеральной ассамблее европейского геофизического союза (Вена, 2008), региональной конференции «Современные геофизические и географические исследования на Дальнем Востоке России» (Владивосток, 2010), всероссийской конференции с международным участием «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов» (Барнаул, 2010), международной конференции Pan Ocean Remote Sensing Conference (Килунг, 2010). XIV Совещание географов Сибири и Дальнего Востока (Владивосток, 2011).
Результаты работы применялись при выполнении тематики плана
НИОКР 1.1.2 Росгидромета («Разработать, испытать и внедрить новые
технологии и методы гидрологических прогнозов для рек и водохранилищ
России, включая прогнозы наводнений и других опасных гидрологических
явлений. Обеспечить выполнение международных обязательств
Росгидромета в области гидрологических прогнозов», ДВНИГМИ, 2007).
Также они использованы в рамках проекта «Модернизация и техническое
перевооружение учреждений и организаций Росгидромета.
Совершенствование системы гидрологических наблюдений, в т.ч. в паводкоопасных районах. Ч.З. Модернизация гидрологической сети в бассейне р.Уссури», при подготовке технического задания на разработку региональной гидрологической модели (РГМ), отдельные блоки которой проходят тестовые испытания в отделе гидрологических прогнозов Приморского УГМС.
Основные положения диссертации изложены в 10 публикациях, в том числе в 3 статьях, опубликованных в журналах списка ВАК.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, и приложений, объемом 215 страниц, включая 55 рисунков, 18 таблиц, списка используемой литературы, включающего 220 наименований и 4-х приложений.
