Разработка методов определения структурно-гидрографических характеристик по данным ЦМР для гидрологического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.27, кандидат технических наук Бугаец, Андрей Николаевич

• Бугаец, Андрей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Бугаец, Андрей Николаевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕЧНОГО СТОКА И АНАЛИЗ СТРУКТУРЫ РЕЧНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Современные тенденции в разработке бассейновых моделей стока.

1.2. Методические основы анализа структуры речных систем.

ГЛАВА 2. МЕТОДИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА СТРУКТУРНО-ГИДРОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА РЕЧНЫХ СИСТЕМ.

2.1. Анализ речных сетей с использованием ЦМР и ГИС-процедур.

2.2. Пример анализа гидрографической сети бассейна р. Комаровка.

2.3. Программные средства структурно-гидрографического анализа.

ГЛАВА 3. ОПЫТ СТРУКТУРНО-ГИДРОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ТИПИЗАЦИИ'РЕЧНЫХ СИСТЕМ БАССЕЙНА АМУРА.

3.1. Структурные закономерности крупных речных систем.

3.2. «Энергетическая функция» как средство типизации речных бассейнов.

ГЛАВА 4'. ВЕРСИИ МОДЕЛИ ГЕОМОРФОЛОГИЧЕСКОГО МГНОВЕННОГО ЕДИНИЧНОГО ГИДРОГРАФА, ОСНОВАННОГО НА УРАВНЕНИИ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ (К^-ОЮН).

4.1. Теоретические основы модели К\\МЗШН.ВО

4.2. Усовершенствованная версия модели KW-GIUH.

4.3. Расчет слоя стокоформирования в усовершенствованной версии модели

ГЛАВА 5. ОПЫТ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПАВОДКОВ С УЧЕТОМ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ ОСАДКОВ И ПАРАМЕТРОВ

5.1. Объекты и данные моделирования.

5.2. Испытания модели и анализ результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов определения структурно-гидрографических характеристик по данным ЦМР для гидрологического моделирования»

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.

Обобщая, можно сказать,, что весь основной аппарат математического моделирования, разработанный преимущественно в 60-80 годы 20-го века, оказывается малоэффективным в задачах, связанных с экстраполяцией за пределы имеющихся данных наблюдений. Главным препятствием являются трудности корректной параметризации моделей и тривиальность результатов моделирования. 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.

Термин «структурная гидрография» предложен и подробно обоснован Л.М.Корытным (Корьггный, Безруков, 1990). Он определяет его как научное направление, в основе которого лежат структурные закономерности гидрографической системы. Исследования структуры речных систем, основанное на пионерной работе Хортона (1948), широко развивалось в России в 60-80 годах прошлого века, однако во второй половине 90-х они были практически прекращены. В'то же время, за рубежом это направление продолжало развиваться. Фундаментальный труд Родригеса-Итурбе и Ринальдо (Кос^иез-ИшЬе, ШпаМо,

1997) обозначил этап, когда теоретическая база этих исследований приобрела черты развитой, мощной и вполне самостоятельной научной концепции. В последующие годы многочисленные публикации по данному направлению свидетельствуют об активном развитии, которое уже привело к появлению новой генерации гидрологических моделей, применяемых как для фундаментальных исследований, так и для прикладных расчетов и прогнозов речного стока.

Актуальность данного исследования связана с созданием современных гидрологических моделей, учитывающих развитие информационных технологий, отвечающих- особенностям данных дистанционного зондирования4 и расчетных данных моделей; климата- и гидродинамических моделей' атмосферы. Представленная'работа рассматривается автором, как часть общего направления интеграции научных разработок и технологий для создания структурной основы и средств параметрического- наполнения гидрологических моделей универсального применения.

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:

1. Разработка и реализация^ концепции структурного' представления бассейна в виде иерархий, частных водосборов по данным цифровой модели рельефа (ЦМР) для1 учета- пространственного распределения гидрологических характеристик и начальных условий.

2. Разработка и реализация базы, данных структурных, гидрографических и геоморфологических характеристик.

3. Апробация методики анализа ЦМР на примере крупных речных систем в бассейне Амура.

4. Усовершенствование модели геоморфологического мгновенного единичного гидрографа (К"\\^-01ЛН) за счет учета параметров, полученных по индивидуальным структурным элементам речного бассейна.

5. Адаптация^ методики определения эффективных осадков при расчете гидрографов стока с помощью модели К\У-01ЛН.

6. 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.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка используемой литературы, включающего 220 наименований и приложений. Работа содержит 215 страниц, основной текст изложен на 151 страницах и включает 55 рисунков и 18 таблиц. Четыре приложения табличного и графического характера помещены, на 64 страницах. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК.

Заключение диссертации по теме «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия», Бугаец, Андрей Николаевич

высоты водосборов

Средние уклоны водосборов в Уссурийском и Михайловском районах Приморского края, включает бассейны р.Комаровки и её правого притока - р.Раковки. Почти со всех сторон указанная территория хорошо очерчена естественными границами и характеризуется большим разнообразием типичных для южного Приморья ландшафтов среднегорья, низкогорья, мелкогорья и Западно-Приморской равнины, и различной степенью антропогенного воздействия на ландшафты. Современный рельеф рассматриваемой территории относится к Суйфуно-Ханкайской депрессии.

1М*в'0"Е 140°0'0"Е

Рис. 2.4. Расположение ПВБС.

Климат территории является типичным для юга Дальневосточного региона, отличается муссонным характером и крайне неустойчивым режимом увлажнения во внутригодовом и многолетнем аспектах. В теплый период года выпадает 85-90% осадков. Для территории характерны тропические циклоны-тайфуны. С ними связанны сильные дожди, выпадающие здесь чаще всего во второй половине лета и начале осени, вызывающие экстремальные дождевые паводки (Краткий физико-географический очерк 1956).

В качестве ключевых участков были выделены малые водосборы приблизительно одинакового размера, которые в своих характеристиках достаточно полно отражают разнообразие природных условий водосбора (таблица 2.1), и располагаются приблизительно равномерно по бассейну р. Комаровка (рис. 2.5).