| Аннотация |
Цель исследования, экспериментальной разработки
Целью предлагаемого научного проекта является изучение гидрологических процессов на водных объектах и их водосборах для оценки влияния природных факторов и антропогенных нагрузок на формирование количества и качества водных ресурсов Сибири с использованием современных методов сбора, обработки и анализа натурных данных, математического моделирования и информационных технологий для задач мониторинга и водопользования.
Актуальность проблемы, предлагаемой к решению
Проблемы количества и качества водных ресурсов, их формирования, изменения и использования носят глобальный характер (WWDR, 2003–2022). Для научного обоснования стратегии водообеспечения и охраны водных ресурсов страны с учетом их современного состояния и прогнозируемых изменений весьма актуальны комплексные исследования гидрологических процессов в водоемах, водотоках и на их водосборных бассейнах на региональном уровне (Водная стратегия РФ-2020). Специфические условия Сибири определяют масштабные негативные последствия антропогенных и природных воздействий на состояние водной среды региона. В их числе крупные заторные наводнения на р. Лена в начале 2000-х годов, крупнейшее наводнение на р. Амур в 2013 г., катастрофический паводок на реках Алтая в 2014 г., загрязнение вод озера Байкал, крупное наводнение в 2019 г. в г. Тулун Иркутской области, загрязнение поверхностных вод нефтепродуктами под Норильском в мае 2020 г. В последние десятилетия чрезвычайную актуальность приобретают проблемы, связанные с диффузным загрязнением малых рек, которое, как правило, определяется антропогенным воздействием. Изучение влияния природных факторов и антропогенных нагрузок на формирование количества и качества водных ресурсов Сибири будет опираться на новые данные наблюдений, современные математические методы и информационные технологии для надежных оценок и прогнозов.
Прогнозы наводнений на крупных реках Сибири тесно увязаны с вопросами социальной и экономической безопасности населения и важны для рационального использования речного стока и защиты земель от наводнений. Важной задачей проекта является совершенствование методов краткосрочного прогнозирования весенних половодий и дождевых паводков, описание особенностей формирования талого стока на речных водосборах Сибири, моделирование течений в крупных системах реальных русел. Современные информационно-моделирующие системы (ИМС) для краткосрочных прогнозов наводнений опираются на модели формирования и трансформации стока воды с водосборных бассейнов. Несмотря на то, что имеется большое число различных моделей формирования стока на разнотипных водосборах, возможность их использования ограничена. Основанные на таких моделях программные продукты являются либо закрытыми для модификаций, либо коммерческими: ECOMAG, SWAP, SWAT, GMS, MIKE-SHE, TOPOG, LISFLOOD и др. Необходимо отметить высокие требования к обеспеченности моделей большими объемами исходной натурной информации (метео - и гидрологические данные, детальные ЦМР). Этой информацией, как правило, являются данные, получаемые на густых сетях метеостанций и гидропостов, что в нашей стране в настоящее время не реализовано в достаточной степени. Существенно и то, что точность прогнозов моделей формирования стока, используемых в этих программных продуктах, является недостаточной для надежного решения важных научно-практических задач. Адаптация существующих систем прогноза или разработка оригинальных систем требует предварительных исследований процессов формирования стока на изучаемых водосборах, что является серьезной причиной для разработки оригинальных прогностических систем на основе усовершенствованных моделей формирования талого и дождевого стока.
Проблема количественного описания и прогнозирования русловых процессов на крупных реках Сибири имеет важное научно-практическое значение, что обусловлено тем негативным воздействием, которое оказывает русловой процесс на хозяйственную инфраструктуру и деятельность на реках и прибрежных территориях. Это связано, в числе прочего, с устойчивым использованием поверхностных речных водозаборов для питьевого и хозяйственного водоснабжения крупных городов Сибири. Решение этой проблемы будет базироваться на новых методах и моделях, в т.ч. пригодных для обоснования развития систем водоснабжения (Указ Президента РФ от 7.5.2018 г. «О национальных целях и стратегических задачах развития РФ на период до 2024 года»). Сюда относятся и задачи моделирования качества воды водных объектов Сибири. Большинство крупных равнинных водохранилищ России расположено в густонаселенных районах, существует уже длительное время (50 и более лет), а их акватория и прилегающие участки русла реки, образующей водоём, интенсивно используются в хозяйственном отношении. В зонах влияния водохранилища (в нижнем бьефе, в зоне переменного подпора и зоне выклинивания подпора) русловой процесс, т.е. транспорт наносов и обусловленные этим транспортом переформирования русла реки и котловины водохранилища, имеет специфические черты. Эти черты обусловлены, главным образом, сезонными изменениями гидрологических условий с речных на озерные и обратно в процессе эксплуатации гидроузла, а также перехватом потока наносов его сооружениями.
Как показывает практика, ход руслового процесса в нижнем бьефе водохранилища, а также в его верхней части (в зоне переменного подпора) и на смежном участке реки (в зоне выклинивания подпора) может оказывать существенное негативное воздействие на хозяйственную деятельность (водный транспорт, функционирование водозаборных и водосбросных сооружений и т.д.). Русловые процессы в нижнем бьефе крупного водохранилища активно изучались ранее [Векслер, Доненберг, 1983, Чалов, 2015]. Существенно меньше внимания было уделено зонам переменного подпора и выклинивания подпора [Григорьев, 1998]. Однако эти исследования относились к более ранним стадиям существования водохранилищ. Вместе с тем, известно, что по истечению длительного времени существования водохранилища ход руслового процесса в его зонах влияния может существенно измениться [Чалов, 2015] и эти вопросы необходимо изучать.
Научное значение проекта определяется требованиями повышения современного уровня знаний по основным вопросам гидрологии и геоинформатики, которые позволили бы найти новые и усовершенствовать существующие методы исследований и подходы к решению комплексных задач в области гидрофизики и экологии крупных внутренних водоёмов и водотоков Сибири, что актуально для развития экономики в данном регионе. Например, озёра – наиболее заметные, ценные и уязвимые элементы ландшафтов во всём мире, средоточие природных процессов и социальных интересов. Как аккумуляторы воды, энергии, растворённых и взвешенных веществ, поступающих с водосбора и атмосферы, как места обитания водных организмов и как центры интересов человеческой деятельности, озёра влияют на естественные и антропогенные факторы окружающей среды и сами находятся под их влиянием. Будучи резервуарами-накопителями, такие озёра являются хорошими объектами для крупномасштабных исследований эвтрофикации, переноса загрязняющих веществ. Внутригодовые и многолетние изменения гидрооптических параметров озёр отражают разномасштабные по времени и пространству изменения физических, биологических и химических характеристик окружающей среды, происходящих под влиянием естественных и антропогенных факторов. Диагностика состояний, оценка адаптивных возможностей, спектра потенциальных экосистемных услуг и прогноз развития водных и водохозяйственных систем основываются, в том числе, на модельной оценке механизмов формирования качества водных ресурсов.
Проблемы гарантированного обеспечения населения и экономики водными ресурсами не могут быть решены без оценки водообеспеченности территорий. На современном этапе усилиями ведущих научно-исследовательских учреждений (WRI, SIWI, ГГИ, ИВП РАН, ИГ РАН и др.) получены достоверные результаты таких оценок, в том числе для регионов Сибири. Ландшафтно-бассейновый подход, предлагаемый к использованию, позволит уточнить перспективную водообеспеченность и разработать соответствующий прогноз по отдельным муниципальным образованиям. С акцентом на перспективное водопользование и корректировку водохозяйственных мероприятий также будут проведены работы по оценке антропогенных нагрузок на водные объекты. Для этого будет определен вклад сельского хозяйства и рекреационной деятельности в биогенную нагрузку, рассчитаны их критические значения, а также разработаны экономические механизмы сохранения водных ресурсов регионов.
Геоинформационные системы (ГИС) используются как для обеспечения гидрологических исследований на этапе подготовки исходных данных, так и на этапе интерпретации результатов мониторинга и прогнозирования развития гидрологической обстановки. Примерами этому являются национальные системы мониторинга, прогнозирования и раннего оповещения о прохождении наводнений США, Франции, Великобритании, Швеции и других стран. Из полнофункциональных отечественных разработок нужно отметить ГИС Амур, ИМС ECOMAG, OpenForecast. В рамках проекта необходимое взаимодействие информационно-моделирующих систем с ГИС будет обеспечиваться общей базой данных, которая также содержит информацию для визуализации результатов моделирования в ГИС.
Приоритетными водными объектами для исследований по проекту рассматриваются реки Обь, Енисей и Лена, озера Телецкое и Чаны, Новосибирское и Красноярское водохранилища и их водосборные бассейны.
|
