ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИПМех РАН |
||
Проект направлен на изучение механизма формирования стока в условиях происходящих климатических изменений для различных в природном отношении регионов европейской территории России (ЕТР) и разработку методов картографического отображения отклика гидрологических систем на климатические изменения для адаптации водного хозяйства и обеспечения экономически эффективного и экологически безопасного водопользования. В основу работы положено исследование современных пространственно-временных закономерностей характеристик водного режима рек ЕТР и их картографо-геоинформационное обобщение. В процессе выполнения работ по проекту предполагается получить ряд новых фундаментальных и научно-практических результатов, среди которых новые и модернизированные методологические подходы к совместному анализу гидрометеорологических и гидрогеологических показателей, изучению взаимосвязи подземных и поверхностных вод, региональные оценки изменений водного режима равнинных и горных рек ЕТР, их внутригодового распределения и опасных проявлений на рубеже ХХ–XXI веков в условиях современных климатических тенденций. Будет проведено районирование ЕТР по направленности и масштабу проявления современных климатических изменений в водном режиме рек, усовершенствованы и созданы новые методики районирования территории по степени опасности гидрологических процессов, технологии обобщения гидрологической информации для построения тематических карт при оценке риска опасных гидрологических явлений для современного и будущего водопользования. В рамках практического использования результатов проекта будет разработан и создан специализированный геоинформационный ГИС-проект «Водный режим рек ЕТР и его опасных проявлений».
Проект направлен на изучение механизма формирования стока в условиях происходящих климатических изменений для различных в природном отношении регионов европейской территории России. В результате будут получены целый ряд теоретических, методических и практических результатов. На основе современной гидрометеорологической информации будут получены региональные оценки изменений водного режима равнинных и горных рек европейской территории России (ЕТР), их внутригодового распределения и опасных проявлений на рубеже ХХ–XXI веков, проведен анализ различных типов экстремальных гидрологических событий на территории Европейской России. Запланировано изучение климатических механизмов формирования экстремальных гидрологических событий с привлечением новейших данных реанализа полей метеорологических элементов и их аномалий, что потребует создания методологии таких исследований. В результате планируется получить районирование ЕТР по направленности и масштабу проявления современных климатических изменений в водном режиме рек. В рамках проекта будут усовершенствованы и созданы новые технологии обобщения гидрологической информации для построения различных карт; технологии сопоставления регионов страны по наборам и выраженности опасных гидрологических явлений, оценки риска опасных гидрологических явлений для современного и будущего водопользования, методики районирования территории по степени опасности гидрологических процессов на региональном и локальном уровне. В результате планируемого исследования ожидается ряд фундаментальных результатов в области изучения современных изменений водного режима и решения проблемы адаптации сложного водохозяйственного комплекса в пределах крупных бассейнов ЕТР к новым гидроклиматическим условиям. В последние годы, как показывают исследования ГГИ (Водные ресурсы..., 2008), лаборатории Гидрологии ИГАН (Ясинский, Кашутина, 2012) и коллектива авторов (Джамалов и др, 2013) наблюдается существенное увеличение подземной составляющей стока. Предположительно это связано с ростом инфильтрационного питания грунтовых вод за счет увеличения числа оттепелей, снижения глубины промерзания, высокой водности летней межени. Именно эту взаимосвязь и должно раскрыть исследование, планируемое в рамках проекта . На основе методики расчленения гидрографа реки (Куделин Б.И., 1970), широко применяемой как в гидрологии, так и в гидрогеологии, а также совместном анализе гидрографов рек и динамики метеорологических характеристик планируется проследить, как меняются генетические составляющие стока в течение последних 30-40 лет. Именно увеличение количества и доли оттепельных паводков в общем стоке по данным исследований различных коллективов авторов (ГГИ, ИГАН, ИВП РАН) во многом вызывает перераспределение стока внутри года, увеличение водности межени, рост коэффициента естественной зарегулированности. Обратная сторона данного процесса - деградация весеннего половодья как основной фазы водного режима и связанные с этим маловодья. Схожие явления на реках Европы по данным зарубежных исследований (Van Loon et all, 2014: 2016) вызывают так называемые «засухи снеготаяния». Во время их возникновения маловодный период года начинается гораздо раньше, общая засушливость бассейна в начале лета, не смотря на рост водности межени в целом, увеличивается. Это приводит к формированию экстремальных гидрологических явлений, таких как маловодье 2010 или 2014 года на Верхней Волге (Алексеевский и др., 2013). Из-за низких уровней воды тогда возникли колоссальные убытки в сфере круизного туризма и водного транспорта. Начиная с 2008 года, длится маловодный период в бассейне Дона. По данным Донского БВУ, в 2015 году приток воды в Цимлянское водохранилище составил лишь 36 % нормы. Все это определяет необходимость исследования паводочного стока не только в разрезе наводнений, но и с точки зрения трансформации водного режима в целом. Важнейшим результатом данных исследований станет новая карта водного режима рек ЕТР, в которой будут отражены все результаты современных исследований водного режима рек. В результате работы по проекту планируется получить несколько фундаментальных результатов, а именно: 1. Принципиально новые и модернизированные методологические подходы по совместному анализу гидрометеорологических и гидрогеологических показателей, изучению взаимосвязи подземных и поверхностных вод. 2. Объективный анализ динамики стока за половодье, летне-осеннюю и зимнюю межень, паводочного стока рек различных регионов ЕТР и его влияния на другие фазы водного режима. 3. Методологическую концепцию для связи интенсивности и повторяемости экстремальных климатических и гидрологических событий, оценку масштабов и типов экстремальных гидрологических событий, связанных с водным режимом и их классификацию. 4. Новые карты водного режима рек ЕТР и его отдельных характеристик. Среди ожидаемых научно-практических результатов: 1. База исходных данных, расчетных и обобщенных статистических характеристик за различные фазы водного режима рек ЕТР за последние 30 лет. Последнее масштабное обновление этой информации проводилось во время выпуска «Ресурсов поверхностных вод СССР». Авторы заявки участвовали в составлении «Научно-прикладного справочника: Основные гидрологические характеристики рек бассейна Верхней Волги, Камы, Нижней Волги (2015)», где по бассейну Волги она была обновлена. 2. Математический алгоритм расчленения гидрографа реки, основанный на методике генетического и совместного анализа стока и осредненных метеорологических характеристик. Непосредственным продуктом должна стать программа, позволяющая в автоматическом режиме проводить совместный анализ метеорологических характеристик (на базе полей реанализа) и расчленение гидрографа (с использованием координат центра водосбора и карт калибруемых параметров) 3. Методические рекомендации по оценке влияния стока за половодье, межень, паводочного стока на водный режим рек ЕТР, в том числе и крупных водохозяйственных бассейнов. 4. Важный результат связан с использованием ГИС-технологий как инструмента исследования, что открывает новые перспективы практического использования запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере, определяет его научную и общественную значимость. Речь идет о создании специализированного ГИС-проекта «Водный режим рек ЕТР и его опасных проявлений». Открытый доступ к накопленной геоинформации предоставит возможность ее практического использования для заинтересованных представителей научного сообщества, специалистов в сфере природопользования, экологической безопасности и охраны окружающей среды, при принятии управленческих решений на федеральном и региональном уровне, а также послужит для удовлетворения информационных потребностей населения. Другая сфера использования результатов – образовательная - формирование научных и научно-педагогических кадров России в области гидрологии, географии, картографии и геоинформатики. Научная группа по результатам реализации проекта предполагает опубликовать в рецензируемых российских и зарубежных научных изданиях не менее: 1 монографии, 50 статей, из них 10 в рецензируемых российских и зарубежных журналах. Они станут основой для подготовки двух диссертаций, войдут в учебные курсы «Гидрология», «Гидрология рек», «Гидрологические прогнозы», «Введение в гидроинформатику») для студентов, магистров и аспирантов Географического факультета МГУ по направлению «Гидрометеорология», а также курсов «Геоинформатика» и «Геоинформационное картографирование» для студентов, магистров и аспирантов Географического факультета МГУ по направлению «Картография и геоинформатика» Предполагается широко освещать результаты исследований в средствах массовой информации (статьи, интервью, телевидение).
В рамках различных научных проектов был проведен сбор и анализ существующей гидрометеорологической информации о водном режиме рек России и его изменении, проведена серия региональных оценок изменений отдельных гидрологических характеристик, выявлено существование достоверных изменений водного режима, по-разному проявляющееся в разных физико-географических условиях (Фролова, Нестеренко, Шенберг, 2010; Джамалов, Фролова и др., 2010, 2012, 2015 и др., Frolova, Alekseevskiy, 2010, Киреева, Фролова, 2011 и др.). Был отработан механизм проведения статистического анализа характеристик стока, проведены предварительные оценки цикличности колебаний стока и выделены репрезентативные периоды для расчета его характеристик. В заявленном проекте найдут применение результаты предыдущих исследований: подготовленная база данных по стоку рек России, осадкам и температуре до 2013 гг.; выполненная региональная оценка стока и ресурсов поверхностных и подземных вод крупных речных бассейнов России (Северная Двина, Волга, Дон, Урал и др.), а также их изменений за последние 30–40 лет; установленные пространственно-временные особенности режима подземных и поверхностных вод в зависимости от ведущих современных факторов и условий; разработанная методика региональной оценки и картирования поверхностного и подземного стока на базе ГИС-технологий (Фролова, Нестеренко, Шенберг, 2010; Джамалов, Фролова и др., 2010, Frolova, Alekseevskiy, 2010, Киреева, Фролова, 2011 и др.). Коллектив исследователей имеет хороший научно-методический задел (публикации, гранты, авторские свидетельства) в заявляемой области и хорошо обеспечен материальными ресурсами (лицензионное программное обеспечение, мощная компьютерная техника, авторские базы данных и др.).
грант РФФИ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. | Комплексное исследование и картографирование современного водного режима рек европейской территории России и его опасных проявлений |
Результаты этапа: Проведенный анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы по вопросам современного изменения водного режима рек; разработке схем классификации и районирования показал, что эволюция публикаций отражает изменение степени гидрометрической и гидролого-климатической изученности бассейнов рек, накопления научных знаний и представлений об условиях формирования стока. Значительный рост использования водных ресурсов во всех сферах экономики и зависимость успешного экономического развития от количества доступных и возобновляемых водных ресурсов определили потребность в переходе от общегеографических, описательных классификаций и районирований к количественным, построенным на основе строгих расчетов параметров стока и разработке новых критериев, характеризующих актуальные для различных отраслей экономики особенности формирования современного водного режима рек. В рамках проекта для обеспечения комплексного геоинформационного анализа и картографирования водного режима рек Европейской территории России разработана база пространственных данных (БД), выполнено определение ее структуры и содержания. Учитывая специфику задач пространственного анализа, требующего максимально детальных доступных данных и картографирования, которое привязано к масштабу отображения, для их решения в БД сформировано два специализированных набора пространственных данных - базовые пространственные данные и тематические пространственные данные. В качестве базовых пространственных данных используются: мелкомасштабная цифровая модель рельефа; объекты гидрографии (океаны и моря, береговая линия, реки, озёра, водохранилища), государственная граница Российской Федерации; границы субъектов Российской Федерации. В блок тематических пространственных данных, используемых в проекте, включены: граница исследуемой территории; рамка создаваемых картографических изображений; гидрологические посты; «дополнительные» объекты гидрографии (реки, на которых размещены гидрологические посты); водосборные бассейны гидрологических постов (в двух вариантах: «полном», с перекрытием пространственных данных, соответствующих одной водной системе и «упрощённом», без перекрытия данных; «полный» вариант предназначается для аналитических задач и веб-картографирования, «упрощённый» — для создания статических картографических изображений. Исходная гидрологическая информация о водном режиме рек Европейской территории России (ЕТР), собранная к настоящему моменту, имеет различное временное разрешение. Она включает в себя как исходные гидрологические ряды суточных, среднемесячных и годовых значений, так и обобщенные параметры и характеристики за репрезентативные периоды времени. В качестве единого периода для сбора данных был выбран временной интервал 1945 – 2015 гг. Для создания и обновления имеющихся баз данных в отчетном году использованы данные 416 гидрометрических постов (с суточными данными – 31 пост) за период с 1945 по 2015 гг., 625 метеостанций, включающие срочные измерения и суточные величины, данные о запасах воды в снежном покрове по 284 снегомерным маршрутам по данным ВНИИГМИ – МЦД. Кроме того, в настоящей работе использованы данные реанализов ERA-40 и ERA Interim. Использование обновленных баз данных позволило получить новые данные о направленности и масштабах изменений характеристик водного баланса и водного режима на исследуемой территории (Фролова, Григорьев и др., 2017). За 1945-2015 гг. на ЕТР произошло изменение структуры водного баланса, выразившееся, прежде всего в росте величин годового стока (и в большей степени меженного), осадков, испарения и потенциального испарения. Неравномерность стока внутри года уменьшилась, но выросла за период межени. Рост бассейновых влагозапасов во второй половине XX в. на ЕТР для южной ее половины в XXI в. сменился снижением. В рамках проекта созданы соответствующие картографические обобщения. В качестве первого этапа исследований, связанных с оценкой степени трансформации водного режима и его дальнейшего картирования, была проведена переоценка границ гидрологических сезонов для рек региона. Наиболее сильные изменения наблюдаются на северо-западе ЕТР. Здесь для большинства постов сроки прохождения основной волны половодья сместились на месяц. Весьма существенные изменения начала половодья и меженного периода характерны для западной части бассейна Оки и бассейна Дона (Джамалов, Киреева и др., 2017). Здесь начало половодья приходится на февраль, а лимитирующего периода – на май. Наименьшие изменения характерны для Верхней Волги и бассейна Камы. Построены соответствующие карты для дат начала и конца гидрологических сезонов и их изменений. В рамках проекта усовершенствован автоматизированный алгоритм расчленения гидрографа стока (Киреева и др., 2017), позволяющий с учетом особенностей каждой реки выделять поверхностную и подземную составляющие, оценивать даты наступления и окончания половодья, паводков, меженых периодов, их экстремальные характеристики и соответствующие объемы стока. | ||
2 | 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. | Комплексное исследование и картографирование современного водного режима рек европейской территории России и его опасных проявлений |
Результаты этапа: Проведен анализ многолетнего и сезонного изменения характеристик водного режима рек ЕТР и метеорологических факторов, их обусловливающих: дана оценка изменения продолжительности сухого и влажного периодов летом, продолжительности и глубины оттепелей зимой, сделана оценка сезонных вариаций и тенденций изменчивости снежного покрова последних десятилетий, их причин и последствий; получена оценка и анализ изменения речного стока в отдельные фазы водного режима (стока за половодье, летне-осеннюю и зимнюю межень), их различных характеристик. Получена оценка соотношения источников питания рек ЕТР и их изменение в последние десятилетия. Дана региональная оценка направленности и масштабов изменений сезонного стока основных рек ЕТР. Обновлены базы пространственных данных тематическими данными, в том числе временными рядами характеристик водного режима. Проведен анализ пространственной автокорреляции характеристик водного режима на соседних речных водосборах. Классификация участков рек и водосборных бассейнов по ключевым параметрам гидрологического режима для построения синтетических карт. Разработано содержания шаблонов оформления аналитических, комплексных, синтетических карт характеристик водного режима. | ||
3 | 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. | Комплексное исследование и картографирование современного водного режима рек европейской территории России и его опасных проявлений |
Результаты этапа: Представлены результаты исследования современных пространственно-временных закономерностей характеристик водного режима рек Европейской территории России (ЕТР) и их картографо-геоинформационное обобщение. На основе проведенного анализа и разработанных критериев параметризации характеристик речного стока проведена оценка трансформации типов водного режима за период климатических изменений, по сравнению с предшествующим устойчивым состоянием. Проведено районирование ЕТР по направленности и масштабу проявления современных климатических изменений в водном режиме рек, усовершенствованы и созданы новые методики районирования территории по степени опасности гидрологических процессов, технологии обобщения гидрологической информации для построения тематических карт при оценке риска опасных гидрологических явлений для современного и будущего водопользования. Результаты показали, что за 1945-2015 гг., с учетом существенных региональных различий, на ЕТР произошла интенсификация гидрологического цикла, проявившаяся в росте величин осадков, речного стока, испарения и потенциального испарения. На большей части ЕТР норма годового слоя осадков за второй период (1978–2015 гг.) по сравнению с первым (1945–1977 гг.) увеличилась на 3–9%. Вместе с тем, имеются области роста осадков более, чем на 9% и области уменьшения слоя осадков более, чем на 3%. За этот же период увеличились та-кие показатели неравномерности и экстремальности осадков теплого периода, как средняя абсолютная разность, относительная средняя абсолютная разность, средняя интенсивность осадков, максимальные суточные осадки и количество дней без осадков. Тенденция к росту средней интенсивности осадков, максимальных суточных осадков и количества дней без осадков характерна и для периода после 1976 г. Рост годового слоя стока составил 15–30% в средней полосе России (бассейны Верх-ней Волги и Камы), уменьшаясь к северу и югу до 0%. Практически на всей ЕТР вклад осадков в изменение годового стока превышает вклад потенциального испарения. Уменьшение абсолютной неравномерности сезонного стока произошло лишь южнее 58–60° с.ш., достигая для некоторых бассейнов Дона и Нижней Волги 50%. На многих реках ЕТР произошло увеличение абсолютной неравномерности стока летней межени и уменьшение относительной неравномерности. На основе проведенных расчетов, связанных с оценкой степени транс-формации водного режима и его дальнейшего картирования, была проведена переоценка границ гидрологических сезонов для рек региона. Для каждого из выделенных гидрологических сезонов определялась дата его начала, объем и слой стока, а также их изменения за период 1979-2015 по сравнению с 1945-1978 гг. Для всех характеристик построены соответствующие карты. Проведена оценка многолетних тенденций изменения максимальных суточных рас-ходов воды и дат их прохождения, выявлены их пространственные закономерности. Снижение максимальных расходов наиболее ярко выражено в центральной, западной, и южной частях ЕТР. Наиболее интенсивное уменьшение весенних расходов воды фиксируется в бассейне Дона и Оки. На западе Русской равнины также отмечается снижение максимумов весеннего половодья, но здесь оно носит характер тенденции. Иная картина характерна для северных и восточных районов ЕТР. Здесь на средних и крупных реках тенденция снижения максимумов весеннего половодья практически не выражена. В рамках работы с помощью программного комплекса GrWat, позволяющего производить автоматизированное расчленение гидрографа, были проведены расчеты вклада раз-личных источников питания в формирование суммарного стока по замыкающим створам основных рек ЕТР, расположенных в различных природных условиях. В результате расчленения гидрографов за каждый водохозяйственный год (от начала половодья текущего года до начала половодья следующего года) были получены погодичные значения объемов стока W (км3) за счет подземной составляющей, за счет талых вод в период половодья, за счет талых вод в период оттепельных паводков, за счет дождевых вод во время паводков. После этого полученные значения усреднялись за период 1945 – 1977 и 1978 – 2015 гг. Полученные результаты свидетельствуют о значительном изменении соотношения долей источников пита-ния для большей части рек ЕТР. Для рек бассейнов Русского Севера по по-прежнему преобладает снеговое питание, но для рек бассейна Северной Двины значения уже приближаются к пороговым. Заметную долю имеют и дождевые паводки – в среднем 7%. В бассейне Верх-ней Волги в среднем, в основном за счет левобережных притоков, текущих с северо-востока, все еще сохраняется преобладание снегового питания. В бассейне Оки, Дона и притоков Средней Волги снеговое питание уже составляет менее 50 %, реки имеют смешанный тип питания с преобладанием подземной составляющей. Были проведены уточнения расчетных параметров стока, которые легли в основу районирования по типам водного режима, пять из которых были включены в формулу рас-чета интегрального коэффициента трансформации водного режима, оценены диапазоны их изменений, предложена обновленная шкала оценки степени трансформации водного режима рек ЕТР. На основе проведенного анализа и разработанных критериев параметризации характеристик речного стока проведена оценка трансформации типов водного режима за период климатических изменений, по сравнению с предшествующим устойчивым состоянием. Проведено районирование территории Европейской России по типам водного режима и степени его изменения. Для репрезентативных водосборов рассчитано значение интегрального коэффициента трансформации водного режима, получена карта его географического распределения. Полученные результаты дают представления о реакции речных бассейнов на происходящие процессы изменений климата в различных природно-географических зонах. Таким образом, созданная в 2018 г. серия карт (около 60) включает аналитические, синтетические и комплексные карты характеристик водного режима и различных параметров, усреднённых за два периода: «исторический» (до 1977 г.) и «современный» (с 1978 г. по настоящее время). |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".