Прогноз стока р. Ру ву (Танзания) с использованием математических моделей
|
Список используемых сокращений 4
Введение 5
1 Физико-географическое описание Танзании 7
1.1 Местоположение страны 7
1.2 Рельеф 8
1.3 Климат 9
1.4 Гидрография 10
1.5 Управление водными ресурсами в бассейне реки Вами/Руву 11
1.6 Характеристика бассейна реки Вами/Руву 14
1.7 Проблемы, связанные с изменением климата и антропогенной
деятельностью на территории Африканского континента 16
2 Методы прогнозирования 24
2.1 Оценка эффективности моделирования и прогнозирования речного стока 24
2.2 Методические основы прогнозов 28
2.3 Метод тенденции 30
2.4 Метод соответственных уровней 34
2.5 Регрессионные модели 35
2.6 Динамические модели склонового стока 38
2.7 Модель SWAT 40
2.8 Примеры использования моделей для прогноза стока на территории
Танзании и сопредельных государств 41
3 Разработка методик краткосрочных прогнозов расходов воды на р. Руву.. 46
3.1 Исходные данные 46
3.2 Прогноз на основе метода линейной тенденции 51
3.3 Прогноз на основе регрессионных моделей 53
3.4 Поверочные прогнозы на основе динамической модели первого порядка 55
3.5 Поверочные прогнозы на основе динамической модели второго порядка 64
3.6 Адаптация модели SWAT 75
Заключение 83
Список использованных источников 85
Приложение А. Зависимости метода линейной тенденции (годовые данные) 88
Приложение Б. Зависимости метода линейной тенденции для влажного
периода 96
Приложение В. Листинги программ краткосрочного прогноза расходов воды по моделям первого и второго порядков 104
Приложение Г. Результаты поверочных прогнозов по модели первого порядка при «динамической» параметризации 117
Приложение Д. Результаты поверочных прогнозов по модели второго порядка при «динамической» параметризации 131
Введение 5
1 Физико-географическое описание Танзании 7
1.1 Местоположение страны 7
1.2 Рельеф 8
1.3 Климат 9
1.4 Гидрография 10
1.5 Управление водными ресурсами в бассейне реки Вами/Руву 11
1.6 Характеристика бассейна реки Вами/Руву 14
1.7 Проблемы, связанные с изменением климата и антропогенной
деятельностью на территории Африканского континента 16
2 Методы прогнозирования 24
2.1 Оценка эффективности моделирования и прогнозирования речного стока 24
2.2 Методические основы прогнозов 28
2.3 Метод тенденции 30
2.4 Метод соответственных уровней 34
2.5 Регрессионные модели 35
2.6 Динамические модели склонового стока 38
2.7 Модель SWAT 40
2.8 Примеры использования моделей для прогноза стока на территории
Танзании и сопредельных государств 41
3 Разработка методик краткосрочных прогнозов расходов воды на р. Руву.. 46
3.1 Исходные данные 46
3.2 Прогноз на основе метода линейной тенденции 51
3.3 Прогноз на основе регрессионных моделей 53
3.4 Поверочные прогнозы на основе динамической модели первого порядка 55
3.5 Поверочные прогнозы на основе динамической модели второго порядка 64
3.6 Адаптация модели SWAT 75
Заключение 83
Список использованных источников 85
Приложение А. Зависимости метода линейной тенденции (годовые данные) 88
Приложение Б. Зависимости метода линейной тенденции для влажного
периода 96
Приложение В. Листинги программ краткосрочного прогноза расходов воды по моделям первого и второго порядков 104
Приложение Г. Результаты поверочных прогнозов по модели первого порядка при «динамической» параметризации 117
Приложение Д. Результаты поверочных прогнозов по модели второго порядка при «динамической» параметризации 131
Диссертационное исследование посвящено прогнозам речного стока на реках Танзании. Актуальность темы связана с тем, что ежегодно в стране происходят наводнения, вызванные сезонными дождями. Наиболее страдают районы Дар-эс-Салам, Мбея, Морогоро и Мванза. Основной причиной наводнения в этих районах являются интенсивные дождевые паводки, а также плохая дренажная система и плохое планирование землепользования. Поэтому заблаговременный прогноз стока позволит сохранить жизни людей и их дома, сократить ущерб. Например, в феврале 2017 этого года жертвами наводнения стали 20 человек, 500 человек пострадали, проводилась эвакуация населения вертолетами.
Объектом исследования является река Руву - одна из крупнейших восточноафриканских рек, стекающих с Восточного рифа, с площадью бассейна около 18 000 км2. Этот бассейн обычно подразделяется на более мелкие водосборы: Мгета, Нгеренгере, верхний Руву в регионе Морогого, а также Средний и Нижний Руву в прибрежном регионе.
Целью выпускной работы являлось рассмотрение, адаптация и апробация методик прогноза расходов воды, основанных на математических моделях, на примере р. Руву.
В задачи работы входило:
- составление физико-географического описания рассматриваемой территории;
- изучение особенностей бассейна р. Руву и ее гидрологического режима;
- оценка степени гидрометеорологической изученности района;
- сбор исходных гидрометеорологических данных;
- изучение методов прогнозирования на основе различных математических моделей;
- адаптация методик прогноза для р. Руву;
- выбор оптимальных методов параметризации математических моделей, используемых для прогноза стока;
- выпуск поверочных прогнозов;
- оценка результатов прогнозов и эффективности методик.
Методология проведения работ заключается в использовании аналитических и теоретических исследований. Методической основой работы является использование статистических методов анализа информации, а также математического моделирования процессов, определяющих формирование речного стока.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы Танзанийским Метеорологическим Агентством (ТМА), Бассейновым водным управлением Вами/Руву (WRBWO), органами местного самоуправления при прогнозировании речного стока и наводнений.
Апробация работы осуществлялась на конференции студенческого научного общества Российского государственного гидрометеорологического университета.
Объектом исследования является река Руву - одна из крупнейших восточноафриканских рек, стекающих с Восточного рифа, с площадью бассейна около 18 000 км2. Этот бассейн обычно подразделяется на более мелкие водосборы: Мгета, Нгеренгере, верхний Руву в регионе Морогого, а также Средний и Нижний Руву в прибрежном регионе.
Целью выпускной работы являлось рассмотрение, адаптация и апробация методик прогноза расходов воды, основанных на математических моделях, на примере р. Руву.
В задачи работы входило:
- составление физико-географического описания рассматриваемой территории;
- изучение особенностей бассейна р. Руву и ее гидрологического режима;
- оценка степени гидрометеорологической изученности района;
- сбор исходных гидрометеорологических данных;
- изучение методов прогнозирования на основе различных математических моделей;
- адаптация методик прогноза для р. Руву;
- выбор оптимальных методов параметризации математических моделей, используемых для прогноза стока;
- выпуск поверочных прогнозов;
- оценка результатов прогнозов и эффективности методик.
Методология проведения работ заключается в использовании аналитических и теоретических исследований. Методической основой работы является использование статистических методов анализа информации, а также математического моделирования процессов, определяющих формирование речного стока.
Практическая значимость работы заключается в том, что ее результаты могут быть использованы Танзанийским Метеорологическим Агентством (ТМА), Бассейновым водным управлением Вами/Руву (WRBWO), органами местного самоуправления при прогнозировании речного стока и наводнений.
Апробация работы осуществлялась на конференции студенческого научного общества Российского государственного гидрометеорологического университета.
В ходе выполнения магистерской работы были:
• проанализированы особенности гидрометеорологического режима бассейна реки Руву;
• рассмотрены существующие критерии оценки эффективности методик прогнозирования, включая применяемые за рубежом и рекомендуемые WMO;
• рассмотрены существующие методики прогнозирования на основе метода линейной тенденции, регрессионных моделей, динамических моделей;
• выбран наиболее оптимальный метод параметризации динамических моделей;
• на основе ретроспективных данных по р. Руву выполнена параметризация моделей;
• выполнены поверочные прогнозы по р. Руву;
• выполнена оценка эффективности используемых методик;
• выполнен сравнительный анализ моделей с целью выдачи рекомендация по методике выпуска оперативных краткосрочных прогнозов расходов воды на реках Руву.
В ходе выполнения работы получены следующие выводы:
1. Анализ результатов показывает, что при прогнозах расходов в течение года по методу линейной тенденции методика эффективна при заблаговременности от 1 до 3 суток. При прогнозах расходов за влажный период методика не дает удовлетворительных результатов. Это связано, по всей видимости, со значительными колебания расходов в то время, как метод работает хорошо тогда, когда наблюдаются плавные подъемы и спады. В отдельные дни наиболее резких колебаний при прогнозе могут получиться даже отрицательные значения.
2. Методика, основанная на регрессионных уравнениях, при поверочных прогнозах не дала удовлетворительных результатов.
3. Результаты прогнозов по модели склонового стока II порядка с динамической параметризацией имеют более высокую оправдываемость, чем прогнозы по методу линейной тенденции и регрессионным зависимостям
4. При использовании динамической параметризации оправдываемость прогнозов более высокая, чем при статической
5. По данным 2011 года при продолжительности периода параметризации в 25 и 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 5 суток. По данным 2012 года при продолжительности периода параметризации в 25 и 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 2 суток. По данным 2013 года при продолжительности периода параметризации от 15 до 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 2 суток. Таким образом, наиболее оптимальной является продолжительность периода параметризации в 30 суток.
6. Текущая корректировка прогнозных значений не дает удовлетворительных результатов
Результаты работы представлялись на студенческой научной конференции Института гидрологии и океанологии РГГМУ в 2021 с докладом «Краткосрочный прогноз расходов воды на р. Руву (Танзания)» (1 место) и в 2022 году с докладом «Выбор оптимального метода параметризации динамических моделей для прогноза стока р. Руву (Танзания)» (2 место).
По результатам работы подготовлена и направлена заявка на VII Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего - наука молодых», организуемый Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.
• проанализированы особенности гидрометеорологического режима бассейна реки Руву;
• рассмотрены существующие критерии оценки эффективности методик прогнозирования, включая применяемые за рубежом и рекомендуемые WMO;
• рассмотрены существующие методики прогнозирования на основе метода линейной тенденции, регрессионных моделей, динамических моделей;
• выбран наиболее оптимальный метод параметризации динамических моделей;
• на основе ретроспективных данных по р. Руву выполнена параметризация моделей;
• выполнены поверочные прогнозы по р. Руву;
• выполнена оценка эффективности используемых методик;
• выполнен сравнительный анализ моделей с целью выдачи рекомендация по методике выпуска оперативных краткосрочных прогнозов расходов воды на реках Руву.
В ходе выполнения работы получены следующие выводы:
1. Анализ результатов показывает, что при прогнозах расходов в течение года по методу линейной тенденции методика эффективна при заблаговременности от 1 до 3 суток. При прогнозах расходов за влажный период методика не дает удовлетворительных результатов. Это связано, по всей видимости, со значительными колебания расходов в то время, как метод работает хорошо тогда, когда наблюдаются плавные подъемы и спады. В отдельные дни наиболее резких колебаний при прогнозе могут получиться даже отрицательные значения.
2. Методика, основанная на регрессионных уравнениях, при поверочных прогнозах не дала удовлетворительных результатов.
3. Результаты прогнозов по модели склонового стока II порядка с динамической параметризацией имеют более высокую оправдываемость, чем прогнозы по методу линейной тенденции и регрессионным зависимостям
4. При использовании динамической параметризации оправдываемость прогнозов более высокая, чем при статической
5. По данным 2011 года при продолжительности периода параметризации в 25 и 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 5 суток. По данным 2012 года при продолжительности периода параметризации в 25 и 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 2 суток. По данным 2013 года при продолжительности периода параметризации от 15 до 30 суток методика эффективна при прогнозировании с заблаговременностью от 1 до 2 суток. Таким образом, наиболее оптимальной является продолжительность периода параметризации в 30 суток.
6. Текущая корректировка прогнозных значений не дает удовлетворительных результатов
Результаты работы представлялись на студенческой научной конференции Института гидрологии и океанологии РГГМУ в 2021 с докладом «Краткосрочный прогноз расходов воды на р. Руву (Танзания)» (1 место) и в 2022 году с докладом «Выбор оптимального метода параметризации динамических моделей для прогноза стока р. Руву (Танзания)» (2 место).
По результатам работы подготовлена и направлена заявка на VII Всероссийский молодежный научный форум «Наука будущего - наука молодых», организуемый Министерством науки и высшего образования Российской Федерации.