МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФОВ СТОКА И ВОДНОГО БАЛАНСА Р. ИЯ - Г. ТУЛУН
|
Аннотация 2
ВВЕДЕНИЕ 2
ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА 4
1.2. Физико-географическая характеристика бассейна реки Ия 4
1.2.1 Рельеф и геология 4
1.2.2. Климат 5
1.2.3. Почвенный покров 7
1.2.4. Гидрографическая изученность 8
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФА СТОКА 11
2.1. Описание модели HBV-Light 11
2.2. Калибрование параметров модели 12
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ ДОСТОВЕРНОСТИ 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24
ПРИЛОЖЕНИЕ А 25
ВВЕДЕНИЕ 2
ГЛАВА 1. ПРИРОДНЫЕ УСЛОВИЯ ФОРМИРОВАНИЯ СТОКА 4
1.2. Физико-географическая характеристика бассейна реки Ия 4
1.2.1 Рельеф и геология 4
1.2.2. Климат 5
1.2.3. Почвенный покров 7
1.2.4. Гидрографическая изученность 8
ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОГРАФА СТОКА 11
2.1. Описание модели HBV-Light 11
2.2. Калибрование параметров модели 12
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ И ОЦЕНКА ИХ ДОСТОВЕРНОСТИ 14
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 22
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 24
ПРИЛОЖЕНИЕ А 25
Работы по прогнозированию катастрофических паводков имеют большую актуальность, так как они помогают предотвратить потери жизней, наносимые бедствиями наводнений, а также минимизировать ущерб, наносимый имуществу и экономике [9].
Иркутская область относится к числу регионов, которые наиболее подвержены наводнениям в России. В примыкающих к рекам зонах, в Иркутской области располагается примерно 222 населенных пункта, среди которых восемь городов, таких как Тулун, Киренск, Нижнеудинск, Иркутск, Усть-Кут, Черемхово, Зима и Ангарск. Площадь затапливаемых периодически территорий, где расположены эти города, составляет более 25 000 км2, что равняется приблизительно 4% от общей площади Иркутской области [12].
В Иркутской области возможны наводнения, вызванные половодьем, дождевыми паводками, заторами и зажорами. Часто это смешанный генезис, когда на половодье накладываются дожди или заторы. Некоторые годы дождевые паводки усугубляются селями. Но наиболее опасными для южных районов Иркутской области являются наводнения, вызванные дождевыми паводками. Они повторяются чаще всего, имеют наибольшую площадь затопления и наносят большой экономический ущерб, а также приводят к человеческим жертвам. Однако, прогнозирование таких наводнений остается трудным, поскольку успешность прогнозов осадков все еще достаточно низкая.
Летом 2019 года на реке Ия, расположенной в Иркутской области и протекающей с гор Восточного Саяна, наблюдались две волны аномальных дождей, которые привели к значительным разрушениям в этом регионе. Эти наводнения стали самыми разрушительными в истории наблюдений данной области.
В течение первого паводка, с 26 июня по 5 июля 2019 года, был зафиксирован самый высокий подъем уровня воды на посту р. Ия - г. Тулун, когда уровень воды поднялся с 474 до 1387 см за трое суток. Эта цифра более чем на 5 м выше опасной отметки в 850 см и на более чем 2,5 м выше исторического максимума в 1133 см, который был зафиксирован в 1984 году. Катастрофическое затопление города Тулун и других населенных пунктов, расположенных в поиме р. Ия, привело к трагическим последствиям: погибли 25 человек и 8 пропали без вести в результате наводнения, которое затронуло 107 населенных пунктов [10]. Позже, с 28 июля по 4 августа 2019 года, р. Ия опять пережила значительный паводок с максимальным уровнем воды в 1121 см, что соответствует масштабу паводка 1984 года, который до этого считался максимальным [8].
Паводки являются одним из главных природных бедствий, которые могут возникать в результате разнообразных климатических, географических и технологических факторов. Они приводят к непропорциональному и чрезмерному накоплению воды в реках, вызывая разрушения и потери. Надежные модели и методики прогнозирования катастрофических паводков могут помочь взять под контроль этот риск и предпринять меры для предотвращения такого бедствия. Они могут предоставить важную информацию, такую как высоту поверхности воды, скорость потока и количество выпавших осадков, что позволяет определить зоны наибольшего риска и принять меры по переносу людей и имущества в безопасные места до того, как паводок станет катастрофическим [2].
Таким образом, разработка и использование эффективных моделей прогнозирования катастрофических паводков имеет огромную актуальность в современном мире, так как это означает сохранение жизней, имущества и ресурсов.
Задачей исследования является выбор соответствующих региональных показателей, применяемых в программе HBV-light, с целью заполнения пропусков в данных наблюдений и определения гидрологических параметров.
В процессе исследования были применены глобальные базы данных. Гидрологические ежегодники были использованы для получения данных о среднесуточном и среднемесячном стоке реки Ия в Тулуне в период с 1959 по 1990 годы. В то же время, данные за период с 2008 по 2020 годы были получены из базы данных Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов [1]. Для получения данных о ежедневных осадках и температурах воздуха в период с 1955 по 2020 годы для ГМС Верхней Гутары, Орлика, Инга и Тулуна была использована база данных Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового центра данных ВНИГМИ-МЦЦ [4].
Для достижения поставленной цели должны быть выполнены следующие задачи:
1) Подготовка гидрологических данных (ежедневных расходов воды по данным гидрологических ежегодников и сайта АИС ГМВО)[1];
2) Подготовка метеоданных (ежедневные осадки и температуры) с восстановление пропусков по аналогам (по регрессионным зависимостям);
3) Изучение модели HBV-light и освоение принципов моделирования;
4) Подбор параметров моделирования обеспечивающий достоверное моделирование гидрографов стока и водного баланса за различные периоды;
5) Оценить результаты моделирования паводка 2019 года и сравнить его с литературными данными;
6) Сделать выводы о проделанной работе с указанием сильных и слабых сторон.
Иркутская область относится к числу регионов, которые наиболее подвержены наводнениям в России. В примыкающих к рекам зонах, в Иркутской области располагается примерно 222 населенных пункта, среди которых восемь городов, таких как Тулун, Киренск, Нижнеудинск, Иркутск, Усть-Кут, Черемхово, Зима и Ангарск. Площадь затапливаемых периодически территорий, где расположены эти города, составляет более 25 000 км2, что равняется приблизительно 4% от общей площади Иркутской области [12].
В Иркутской области возможны наводнения, вызванные половодьем, дождевыми паводками, заторами и зажорами. Часто это смешанный генезис, когда на половодье накладываются дожди или заторы. Некоторые годы дождевые паводки усугубляются селями. Но наиболее опасными для южных районов Иркутской области являются наводнения, вызванные дождевыми паводками. Они повторяются чаще всего, имеют наибольшую площадь затопления и наносят большой экономический ущерб, а также приводят к человеческим жертвам. Однако, прогнозирование таких наводнений остается трудным, поскольку успешность прогнозов осадков все еще достаточно низкая.
Летом 2019 года на реке Ия, расположенной в Иркутской области и протекающей с гор Восточного Саяна, наблюдались две волны аномальных дождей, которые привели к значительным разрушениям в этом регионе. Эти наводнения стали самыми разрушительными в истории наблюдений данной области.
В течение первого паводка, с 26 июня по 5 июля 2019 года, был зафиксирован самый высокий подъем уровня воды на посту р. Ия - г. Тулун, когда уровень воды поднялся с 474 до 1387 см за трое суток. Эта цифра более чем на 5 м выше опасной отметки в 850 см и на более чем 2,5 м выше исторического максимума в 1133 см, который был зафиксирован в 1984 году. Катастрофическое затопление города Тулун и других населенных пунктов, расположенных в поиме р. Ия, привело к трагическим последствиям: погибли 25 человек и 8 пропали без вести в результате наводнения, которое затронуло 107 населенных пунктов [10]. Позже, с 28 июля по 4 августа 2019 года, р. Ия опять пережила значительный паводок с максимальным уровнем воды в 1121 см, что соответствует масштабу паводка 1984 года, который до этого считался максимальным [8].
Паводки являются одним из главных природных бедствий, которые могут возникать в результате разнообразных климатических, географических и технологических факторов. Они приводят к непропорциональному и чрезмерному накоплению воды в реках, вызывая разрушения и потери. Надежные модели и методики прогнозирования катастрофических паводков могут помочь взять под контроль этот риск и предпринять меры для предотвращения такого бедствия. Они могут предоставить важную информацию, такую как высоту поверхности воды, скорость потока и количество выпавших осадков, что позволяет определить зоны наибольшего риска и принять меры по переносу людей и имущества в безопасные места до того, как паводок станет катастрофическим [2].
Таким образом, разработка и использование эффективных моделей прогнозирования катастрофических паводков имеет огромную актуальность в современном мире, так как это означает сохранение жизней, имущества и ресурсов.
Задачей исследования является выбор соответствующих региональных показателей, применяемых в программе HBV-light, с целью заполнения пропусков в данных наблюдений и определения гидрологических параметров.
В процессе исследования были применены глобальные базы данных. Гидрологические ежегодники были использованы для получения данных о среднесуточном и среднемесячном стоке реки Ия в Тулуне в период с 1959 по 1990 годы. В то же время, данные за период с 2008 по 2020 годы были получены из базы данных Автоматизированной информационной системы государственного мониторинга водных объектов [1]. Для получения данных о ежедневных осадках и температурах воздуха в период с 1955 по 2020 годы для ГМС Верхней Гутары, Орлика, Инга и Тулуна была использована база данных Всероссийского научно-исследовательского института гидрометеорологической информации - Мирового центра данных ВНИГМИ-МЦЦ [4].
Для достижения поставленной цели должны быть выполнены следующие задачи:
1) Подготовка гидрологических данных (ежедневных расходов воды по данным гидрологических ежегодников и сайта АИС ГМВО)[1];
2) Подготовка метеоданных (ежедневные осадки и температуры) с восстановление пропусков по аналогам (по регрессионным зависимостям);
3) Изучение модели HBV-light и освоение принципов моделирования;
4) Подбор параметров моделирования обеспечивающий достоверное моделирование гидрографов стока и водного баланса за различные периоды;
5) Оценить результаты моделирования паводка 2019 года и сравнить его с литературными данными;
6) Сделать выводы о проделанной работе с указанием сильных и слабых сторон.
Полученные результаты моделирования для меженых периодов являются хорошими.
Эффективность модели - 0,65, коэффициент детерминации - 0,69. Для адекватного моделирования отдельных паводков необходима иметь достоверные данные по распределению осадков на водосборе. В данной работе использовались 3 метеостанций с прилегающих к водосбору территорий и 1 в замыкающем створе. Удаленность метеостанций от центра водосбора составляет от 40 до 200 км.
Несмотря на это модель можно использовать для моделирования динамики элементов водного баланса. Исходя из полученных результатов имеем данные о том, что разница в среднемноголетней температуре воздуха между первым и третьим периодом равна 1,4 С°. Что значит, при увеличении температуры воздуха на 1,4 C°, испарение увеличилось на 4,5%.
Что касается осадков, согласно вычисленным данным, количество осадков относительно первого периода выросло на 4%. Таким образом, можно сделать вывод, что повышение температуры воздуха ведет к увеличению испарения воды, а затем к увеличению количества осадков. Увеличение температуры воздуха вызывает повышение температуры подстилающей поверхности, а так же моря, рек и озер, что в свою очередь ускоряет процесс испарения.
Что касается моделирования катастрофического наводнения в июле 2019 года, то следует признать невозможность его прогноза при использовании данных лишь общедоступных метеостанций. Нужно значительное расширение сети осадкомеров с автоматической передачей данных или реализация альтернативных методов получения информации об осадках на водосборе.
Проделанная работа подтверждает выводы О.М. Макарьевой с соавторами [8], от том что даже использование открытых прогнозов зарубежных метеорологических моделей в сочетании с данными наземных наблюдений могло бы стать основой для заблаговременного прогноза величины разрушительного паводка на р. Ие.
После внесения имения в ряд среднесуточных осадков за 25-27 июня 2019 года, взятых в статье [8], пик смоделированного половодья увеличился с 1230 м3/с до 4630 м3/с. Такой смоделированный расход лишь на 3,1% меньше среднесуточного максимума смоделированного в работе О.М. Макарьевой с соавторами [8]. Однако, по нашим смоделированным данным пик ожидался на 3 суток позднее фактического.
Смоделировать наблюденный пик на 29 июня 2019 года в 6860 м3/с [1], что соответствует 32,8 мм/сут, по различным имеющимся источникам метеоданных никому не удалось.
Эффективность модели - 0,65, коэффициент детерминации - 0,69. Для адекватного моделирования отдельных паводков необходима иметь достоверные данные по распределению осадков на водосборе. В данной работе использовались 3 метеостанций с прилегающих к водосбору территорий и 1 в замыкающем створе. Удаленность метеостанций от центра водосбора составляет от 40 до 200 км.
Несмотря на это модель можно использовать для моделирования динамики элементов водного баланса. Исходя из полученных результатов имеем данные о том, что разница в среднемноголетней температуре воздуха между первым и третьим периодом равна 1,4 С°. Что значит, при увеличении температуры воздуха на 1,4 C°, испарение увеличилось на 4,5%.
Что касается осадков, согласно вычисленным данным, количество осадков относительно первого периода выросло на 4%. Таким образом, можно сделать вывод, что повышение температуры воздуха ведет к увеличению испарения воды, а затем к увеличению количества осадков. Увеличение температуры воздуха вызывает повышение температуры подстилающей поверхности, а так же моря, рек и озер, что в свою очередь ускоряет процесс испарения.
Что касается моделирования катастрофического наводнения в июле 2019 года, то следует признать невозможность его прогноза при использовании данных лишь общедоступных метеостанций. Нужно значительное расширение сети осадкомеров с автоматической передачей данных или реализация альтернативных методов получения информации об осадках на водосборе.
Проделанная работа подтверждает выводы О.М. Макарьевой с соавторами [8], от том что даже использование открытых прогнозов зарубежных метеорологических моделей в сочетании с данными наземных наблюдений могло бы стать основой для заблаговременного прогноза величины разрушительного паводка на р. Ие.
После внесения имения в ряд среднесуточных осадков за 25-27 июня 2019 года, взятых в статье [8], пик смоделированного половодья увеличился с 1230 м3/с до 4630 м3/с. Такой смоделированный расход лишь на 3,1% меньше среднесуточного максимума смоделированного в работе О.М. Макарьевой с соавторами [8]. Однако, по нашим смоделированным данным пик ожидался на 3 суток позднее фактического.
Смоделировать наблюденный пик на 29 июня 2019 года в 6860 м3/с [1], что соответствует 32,8 мм/сут, по различным имеющимся источникам метеоданных никому не удалось.
Подобные работы
- Оценка изменения стока рек Восточной Сибири в условиях нестационарного климата
Магистерская диссертация, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 4820 р. Год сдачи: 2023 - Влияние изменения климата на характеристики стока рек Восточного Саяна на примере реки Ии
Магистерская диссертация, гидрология. Язык работы: Русский. Цена: 5350 р. Год сдачи: 2021