ДОЛГОСРОЧНЫЙ ПРОГНОЗ ИЗМЕНЕНИЯ ВОДНЫХ РЕСУРСОВ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО КОМПЛЕКСА БАССЕЙНА РЕКИ ДОН

Объектом исследования является водная и водохозяйственная система бассейна реки Дон. Цель работы - разработка долгосрочного прогноза изменения водных ресурсов для обеспечения устойчивого функционирования водохозяйственного комплекса бассейна реки Дон. На основе полученных оценок будут определены меры по адаптации водохозяйственного комплекса к изменениям водности в бассейне реки Дон и получены оценки уровня обеспеченности населения и объектов экономики водными ресурсами в маловодные периоды. При проведении НИР использовались классические методы применяемые при исследованиях водных объектов и водосборов. Новизна исследований заключается в детальном анализе современного состояния водохозяйственного комплекса бассейна р. Дон и показателей использования водных ресурсов, создании единой информационной базы, включающей гидрологические, гидрохимические, гидрогеологические, метеорологические характеристики бассейн р. Дон, сведения о хозяйственном освоении бассейна и существующей водохозяйственной инфраструктуре. Областью применения является водохозяйственный комплекс Российской Федерации. В ходе выполнения первого этапа НИР получены следующие научные результаты: 1) выполнен подробный анализ результатов ранее проведенных исследований, имеющихся предпроектных, проектных и изыскательских работ в части методов оценки происходящих изменений водных ресурсов и их долгосрочного прогнозирования, 2) проанализирована ситуация на трансграничных водных объектах бассейна Дона; 3) дан обзор существующих методов оценки изменений водных ресурсов и их долгосрочного прогнозирования, как по нормативным и методическим документам, так и по опубликованным научным исследованиям, 4) проведен анализ нормативно правовых актов Российской Федерации в области водных отношений, охраны окружающей среды, стратегического и территориального планирования; 5) создана информационная база, включающая в себя данные за весь период наблюдений по 2017 г.: осадки, максимальные снегозапасы (по метеостанциям в бассейне р. Дон); среднемесячные значения температуры и влажности воздуха с суточным шагом по 80 метеорологическим станциям на территории бассейна, а также скорости ветра, температуры поверхности снега (почвы) в зимний период (по ближайшим к водохранилищам метеостанциям), базу гидрогеологических характеристик (прогнозных и эксплуатационных запасов подземных вод). 6) по итогам первого этапа выполнения проекта подготовлена информационная основа для модели формирования стока с распределенными параметрами, включая цифровые модели рельефа пространственных масштабов 1 1 км и 30 30 м, векторные карты типов почв (30 типов) и землепользования (11 типов). Дополнительно по космическим снимкам уточнено современное состояние водосбора, на основе дешифрирования выделены классы воды, лесов, территорий населенных пунктов Для калибровки и верификации модели подготовлены данные по 6 ключевым постам, включая р. Дон - г. Задонск, Дон - ст. Казанская и замыкающим створам основных притоков Сосна - г. Елец, г. Битюг - г. Бобров, Хопер - х. Барминский, Медведица - сг. Арчединская за аналогичный период. Рекомендации по внедрению. Созданная единая информационная база данных является неотъемлемой частью разработанной ФГБУ РосИНИВХЦ автоматизированной информационной системы «Дон». АИС Дон построена на основе архитектуры «клиент-сервер» с вынесением логики обработки данных на отдельный сервер. Программными средствами АИС Дон обеспечивается ввод, корректировка и представление в табличном и графическом виде, сведений содержащихся в информационной базе данных. Разработанная имитационная водохозяйственная модель бассейна р. Дон для проведения водохозяйственных расчетов по календарным рядам восстановленного стока, создана для обеспеченности водными ресурсами населения и объектов экономики бассейна на современном уровне развития водохозяйственного комплекса. В рамках работы второго этапа на основе анализа многолетних наблюдений за элементами гидрологического режима выявлены физические механизмы и статистические закономерности отражающие влияние изменения регионального климата на речной сток в различных фазах гидрологического года Были учтены и рассмотрены физические закономерности механизма формирования аномальных и экстремальных характеристик гидрологического режима водных объектов, сопоставлены маловодье 2008-2016 гг. с аналогичными маловодными периодами в историческом прошлом. Проведено моделирование экстремально маловодных ситуаций на водобалансовой модели. Проведено обобщение по бассейну реки Дон данных гидрологического мониторинга, определены расчетные характеристики стока рек и притока в крупные водохранилища в бассейне р. Дон в современных условиях. Разработаны стохастические модели сезонных и многолетних колебаний гидрологических характеристик. Проведена адаптация водохозяйственной модели формирования стока с водосбора р. Дон для сценарных расчетов водообеспечения. Подготовлен сценарный прогноз изменений характеристик речного стока в бассейне р. Дон и притока в Цимлянское водохранилище на период 2020-2030 гг. в зависимости от возможных сценариев изменения регионального климата до 2030 г. на основе гидрологического моделирования и стохастических методов и моделей, включая байесовское оценивание и прогнозирование, в том числе с оценкой неопределенности прогноза. Прогноз выполнен на основе: * статистического анализа результатов многолетних наблюдений за элементами гидрологического и метеорологического режимов, полученных на сети станций и постах гидрометеорологических наблюдений, а также на сети специализированных станций и пунктов гидрометеорологических наблюдений в бассейне р. Дон; * анализа передового российского и зарубежного опыта в области оценки изменения характеристик гидрологического режима водных объектов при изменении климата, в том числе с использованием водобалансовых моделей и результатов исследования механизма влияния климатических изменений на процессы формирования стока; * существующих методик долгосрочного прогноза факторов, обуславливающих изменение характеристик речного стока при региональных климатических изменениях; * результатов анализа возможных вариантов использования водных ресурсов на современном и будущем уровне развития бассейнового водохозяйственного комплекса с учетом имеющихся документов стратегического и регионального планирования. Подготовлены научно-обоснованные рекомендации по повышению оправдываемосги и заблаговременности прогнозов притока к Цимлянскому водохранилищу. Проведена оценка влияния хозяйственной деятельности на речной сток в бассейне р. Дон, динамики величин заборов и сбросов воды по различным сферам водопользования. Данная оценка проведена на основе русловых балансов, исследований процессов формирования стока воды и составляющих водного баланса речных водосборов, анализа эффективности функционирования системы использования водных ресурсов в бассейне, существующих подходов к регулированию и перераспределению стока в разных звеньях гидрографической сети бассейна р. Дон, принятых правил использования стока. Подготовлен проект научно-прикладного справочника «Основные гидрологические характеристики водных объектов бассейна реки Дон». В результате проведенных научно-исследовательских работ третьего этапа выявлены систематические положительные невязки годового водного баланса водохранилища, наиболее значительные, в период 2003-2018 гг. Для достижения указанной цели была разработана гидродинамическая модель (ГДМ) участка р. Дон ниже Цимлянского гидроузла, предназначенная для определения расчетных уровней воды с учетом влияния низконапорных гидроузлов и сгонно-нагонных явлений. На разработанной модели были выполнены 7 сценарных расчетов. На основе проведенных научных исследований можно сделать вывод, что ввод в действие Багаевского гидроузла позволит удовлетворить потребности участников донского водохозяйственного комплекса с обеспеченностью не ниже нормативной. Привлечение части волжского стока в бассейн р. Дон в средние по водности и в среднемаловодные годы позволит повысить обеспеченность гарантированных и сниженных отдач всех участников донского ВХК, обеспечить возможность дальнейшего их развития. Обеспеченность орошаемого земледелия в условиях привлечения части волжского стока достигнет 92 % - 95 %, а фактическая глубина ограничений водопотребления на нужды орошения при наступлении маловодных периодов не превысит 3-5 %. Существенным результатом НИР является прогноз водопотребления в бассейне р. Дон. Прогноз на период до 2030 года выполнен по основным водопотребляющим отраслям экономики с учетом ведомственных и региональных программ и сценариев социального развития регионов. Разработаны рекомендации по оценке расчетных гидрологических характеристик в условиях нарушения однородности (стационарности) выборок на примере бассейна р. Дон. Рекомендации представлены в виде проекта нормативного документа, предлагаемого в развитие действующего Свода правил по определению расчетных характеристик стока, и включает в себя все необходимые этапы анализа данных и вероятностных расчетов. В качестве основного рекомендуется байесовский алгоритм оценивания и прогнозирования. Задачи, поставленные на третьем этапе НИР, выполнены в полном объеме, а полученные результаты могут быть использованы в задачах планирования сети гидрометеорологического мониторинга, при выполнении инженерно-гидрологических расчетов, при планировании водохозяйственных мероприятий в бассейне Дона, направленных на повышение надежности систем водообеспечения.