Разработка и внедрение геоинформационных моделирующих комплексов для обеспечения водной безопасности регионов России

За последние десятки лет возможности физически обоснованных гидрологических и численных гидравлических моделей в воспроизведении реальной картины формирования речного стока и движения воды в открытых руслах существенно возросли. Это связано как с достижениями в теоретической части исследований, так и с быстрым развитием технологий получения, обработки и анализа географически распределенной информации, а также интерпретации и представления полученных результатов моделирования. К настоящему моменту накоплен достаточно большой опыт по применению моделей для решения прикладных задач водохозяйственной отрасли и вопросов водной безопасности нашей страны. В настоящей работе запланировано существенно расширить область применения моделей, уделив внимание не только водному режиму, но и стоку загрязняющих веществ, уточнению параметров моделей при воспроизведении условий формирования и разрушения ледовых заторов, деформации речных русел, уровню детализации результатов, возможностям использования спутниковой информации и данных климатических моделей. В частности, методы моделирования речных течений в рамках приближения мелкой воды будут рассмотрены с учетом дополнительных физических условий, застройки территории, мостовых переходов и др. Особое внимание уделяется актуальным для России задачам расчета рисков затопления селитебных территорий, русловых процессов в неоднородных грунтах и склонового стока с горных водосборов. Актуальность ожидаемых результатов также обусловлена необходимостью более глубокого понимания механизма гидрологических процессов в масштабах речных бассейнов и влияния на них возможных изменений климата. Учитывая пространственную неоднородность физико-географических, климатических условий, разнообразие физических механизмов стокообразования на речных бассейнах России, реакция гидрологических систем на изменения климата может быть совершенно различной, что представляет существенный интерес и для научного сообщества, и для практических задач. Например, для адаптации правил регулирования стока гидроузлами к происходящим и будущим изменениям климата с целью оптимизации использования водных ресурсов для различных сфер хозяйства. Отдельное внимание предполагается уделить заболоченным территориям, площадь которых занимает более 10 %, общей территории России. При этом они остаются труднодоступными и поэтому малоизученными. В этом отношении целесообразно насыщение модели формирования стока ECOMAG информацией о заболоченности, а также ее верификация с привлечением данных дистанционного зондирования земли, включая данные альтиметрических спутников и радиометров (влажность подстилающей поверхности) и данных миссии GRACE (суммарные влагозапасы). Для рассмотрения масштабных эффектов предлагается рассмотреть бассейны различной площади, начиная от небольших бассейнов Западной Сибири (предположительно р. Васюган, р. Тромъеган), до бассейна Средней Оби (от Новосибирского водохранилища до г.п. Александровское). Изменения климата приводят к существенной трансформации водного и ледового режима рек. Происходит смещение сроков и изменение амплитуды колебаний уровней и расходов воды половодья, изменение дат вскрытия и замерзания рек, за счет неустойчивого замерзания в осенне-зимний период увеличивается продолжительность периодов шугохода и ледовых зажоров, в весенний период может меняться частота формирования ледовых заторов и высота заторных повышений уровней воды. Для равнинных бассейнов рек наименее исследовано совместное влияние изменений стока и ледового режима рек на опасность затопления. Разработанные в Институте комплексы моделей формирования стока ECOMAG (расходы воды) совместно с гидродинамическим STREAM_2D, а также использование MIKE11 (характеристики затопления) позволят эффективно исследовать влияние ледового режима при проведении анализа данных режимных наблюдений и верификации гидродинамических моделей в период ледовых явлений с сопровождением данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) (оптический диапазон, радиолокационные и альтиметрические данные). Следует отметить, что перспективы исследования пространственно-временных закономерностей формирования стока и качества воды, прогноза их климатических и антропогенных изменений в условиях слабой освещенности данными государственного мониторинга состояния объектов окружающей среды также связаны с построением физико-математических моделей, описывающих эти закономерности. В последние годы в Институте водных проблем РАН ведется работа по усовершенствованию структуры и алгоритмов гидрохимического блока модели ECOMAG, ее адаптации для задач оценок качества речных вод по различным гидрохимическим показателям и антропогенного вклада различных источников загрязнения. Данную работу предполагается продолжить в применении к бассейнам рек Волги и Дона – важнейших в экономическом отношении регионов России, в которых располагается около 50% посевов сельскохозяйственных культур и основных фондов экономики, что определяет высокую степень антропогенной нагрузки на водные объекты.