Создание системы управления устойчивым развитием слабоустойчивых социоприродохозяйственных систем пойменных территорий и обеспечения их безопасности на основе известных и новых алгоритмов оптимизации, высокоскоростных вычислений, гидродинамического, геоинформационного и теоретико-игрового моделирования

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-21-00176

НазваниеСоздание системы управления устойчивым развитием слабоустойчивых социоприродохозяйственных систем пойменных территорий и обеспечения их безопасности на основе известных и новых алгоритмов оптимизации, высокоскоростных вычислений, гидродинамического, геоинформационного и теоретико-игрового моделирования

Руководитель Харитонов Михаил Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Волгоградский государственный университет" , Волгоградская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-211 - Математическое моделирование социальных и экономических процессов

Ключевые слова методы оптимизации, потоковые иерархии, оптимизация потоков, имитационное моделирование, Волго-Ахтубинская пойма, геоинформационное моделирование

Код ГРНТИ27.35.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Целью данного исследования является создание методов, алгоритмов и технологий идентификации, оптимизации и анализа достижимости значений параметров территориальной структуры пойменных СПХС необходимых для их устойчивого развития на основе геоинформационного, гидродинамического и теоретико-игрового моделирования с использованием высокопроизводительных суперкомпьютеров и вычислительного параллелизма. Задачами исследования являются 1. Создание общей концепции и комплексной модели управления устойчивым развитием слабоустойчивых пойменных СПХС, включающей в себя модели -динамики распространения паводковых затоплений; -статистического анализа долгосрочной динамики и прогнозирования гидрологического режима пойменных территорий; -комплексной структуры территории пойменных СПХС, объединяющей их гидрологическую и социоприродохозяйственную структуры на основе гидродинамических, статистических моделей, многослойных цифровых карт со слоями рельефа, русел, паводковых затоплений, антропогенных объектов, кадастровых участков; -территориально распределенных и агрегированных -социоприродохозяйственных критериев, а также краткосрочных и среднесрочных рисков состояния пойменных СПХС. -гидротехнических проектов изменения геометрии и структуры пойменных русел в целях устойчивого паводкового обводнения целевой экологической и хозяйственной территории, а также паводковой гидрологической безопасности социохозяйственной территории СПХС; -механизмов эколого-экономического управления хозяйствующими субъектами пойменных СПХС в условиях стабильного гидрологического режима на основе совершенствования и дополнения его существующих элементов. 2. Создание методов и алгоритмов приближенного оптимального управления паводковыми неустановившимися водными потоками в пойменных руслах с социоприродохозяйственными критериями и критерием безопасности на основе известных и оригинальных точных и эмпирических методов оптимизации потоков на графах, прямого гидродинамического и геоинформационного моделирования, натурных наблюдений. 3. Создание программно-математического комплекса, реализующего представленный комплекс моделей и алгоритмов на основе развития программно-математического комплекса «WEB-ЭКОГИС». 4. Программная реализация созданных моделей, методов и алгоритмов для СПХС северной части Волго-Ахтубинской поймы. Научная актуальность проблемы обусловлена отсутствием общих методов и алгоритмов решения задач синтеза оптимальных пространственно распределенных управлений в социоприродохозяйственных системах с пространственно распределенными параметрами и векторным критерием оптимальности. Практическая актуальность проблемы обусловлена необходимостью активного противодействия экологической деградации Волго-Ахтубинской поймы при невозможности натурного моделирования паводковых процессов. Междисциплинарность данного проекта обусловлена сочетанием эконометрических, экологометрических, геоинформационных методов исследования с методами теории игр, теории графов, целочисленной оптимизации и вычислительного эксперимента, методами и технологиями имитационного гидродинамического и геоинформационного моделирования и распределенных вычислений. Научная новизна исследования обусловлена сочетанием в одной комплексной практически значимой проблеме проблем идентификации гидрологической структуры пойменной территории, параметрической оптимизации нестационарного водного потока в транспортной сети с неопределенностью, целочисленной оптимизации, создания и анализа теоретико-игровых моделей с параметрическими ограничениями, зависящими от стратегий игроков, геоинформационного и гидродинамического компьютерного моделирования, параллельных вычислений, оценок экономических параметров и экологических рисков, а также новизной метода оценки экологического риска паводковых затоплений в слабоустойчивой пойменной социоприродохозяйственной системе.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ватюкова О.Ю., Кликунова А.Ю., Васильченко А.А., Воронин А.А., Хоперсков А.В., Харитонов М.А. The Problem of Effective Evacuation of the Population from Floodplains under Threat of Flooding: Algorithmic and Software Support with Shortage of Resources Computation, Computation 2023, 11, 150. https://doi.org/10.3390/computation11080150 (год публикации - 2023)
10.3390/computation11080150

2. Воронин А.А., Исаева И.И. Модель управления процессом социохозяйственного освоения пойменных территорий Математическая физика и компьютерное моделирование, Воронин А.А., Исаева И.И. Модель управления процессом социохозяйственного освоения пойменных территорий // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2023. Том 26. №2 с 16-31 (год публикации - 2023)
10.15688/mpcm.jvolsu.2023.2.2

3. Воронин А.А., Васильченко А.А., Ватюкова О.Ю., Харитонов М.А Research of Water Engineering Project Efficiency for the Hydrological Safety of the Volga-Akhtuba Floodplain 2023 5th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), 2023 5th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA), Lipetsk, Russian Federation, 2023, pp. 481-486 (год публикации - 2023)

4. И.И. Исаева, М.А. Харитонов, А.А. Васильченко, А.А. Воронин, А.В. Хоперсков, Е.О. Агафонникова Устойчивое развитие пойменных территорий зарегулированных рек (Часть 1 – Моделирование динамики их комплексной структуры) Проблемы управления, Устойчивое развитие пойменных территорий зарегулированных рек. Ч. 1. Моделирование динамики комплексной структуры пойменных территорий // Проблемы управления. - 2023. - № 6. - С. 42-55 (год публикации - 2023)
10.25728/pu.2023.6.4

5. И. И. Исаева, М. А. Харитонов , А. А. Васильченко , А. А. Воронин , А. В. Хоперсков , А. Ю. Кликунова Устойчивое развитие пойменных территорий зарегулированных рек. Ч. 2. Проектирование эффективной системы управления структурой пойменных территорий ПРОБЛЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, Исаева И. И., Харитонов М. А., Васильченко А. А. и др. Устойчивое развитие пойменных территорий зарегулированных рек. Ч. 2. Проектирование эффективной системы управления структурой пойменных территорий//Проблемы управления, 2024, №1, с. 57-78 (год публикации - 2024)
10.25728/pu.2024.1.6

6. Воронин А.А.,Исаева И.И. Модели управления гидротехническими проектами на пойменных территориях с учетом активности ее хозяйствующих субъектов Математическая физика и компьютерное моделирование, Исаева И.И., Воронин А.А. МОДЕЛИ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОТЕХНИЧЕСКИМИ ПРОЕКТАМИ НА ПОЙМЕННЫХ ТЕРРИТОРИЯХ С УЧЕТОМ АКТИВНОСТИ ХОЗЯЙСТВУЮЩИХ СУБЪЕКТОВ// Математическая физика и компьютерное моделирование. 2024. Т. 27. № 1. С. 45-61. (год публикации - 2024)
10.15688/mpcm.jvolsu.2024.1.4

7. Воронин А.А.,Исаева И.И., Grant Research of the Graduating Department as a Basis for Transdisciplinary Approach in Training Bachelors in the Direction of “Applied Mathematics and Informatics Proceedings 2024 4th International Conference on Technology Enhanced Learning in Higher Education (TELE), A. A. Voronin and I. I. Isaeva, "Grant Research of the Graduating Department as a Basis for Transdisciplinary Approach in Training Bachelors in the Direction of “Applied Mathematics and Informatics”," 2024 4th International Conference on Technology Enhanced Learning in Higher Education (TELE), Lipetsk, Russian Federation, 2024, pp. 170-176, doi: 10.1109/TELE62556.2024.10605648. (год публикации - 2024)
10.1109/TELE62556.2024.10605648

8. А. А. Воронин , А. А. Васильченко Algorithms of Flood Water Flow Control in Small River Floodplain Channels 2024 6th International Conference on Control Systems, Mathematical Modeling, Automation and Energy Efficiency (SUMMA) (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Созданы и программно реализованы алгоритмы приближенного оптимального управления паводковыми неустановившимися водными потоками в пойменных руслах с социоприродохозяйственными критериями и критерием безопасности. Созданные методы используют результаты численного гидродинамического моделирования, а также сочетания эвристик с двухуровневым методом динамического программирования и алгоритмами оптимизации водных потоков на обобщенных транспортных сетях. Реализация данных алгоритмов для территории северной части Волго-Ахтубинской поймы (ВАП) показала в целом невысокую точность и эффективность разработанных алгоритмов. Относительная погрешность и эффективность алгоритмов, зависящая от величин гидрографов Волжской ГЭС, находится в диапазоне 0,05-0,54, а эффективность – в диапазоне 0,00-0,26. Разработан алгоритм решения задачи системной оптимизации пойменной социоприродохозяйственной системы (СПХС). Целевой функцией задачи является прогнозная оценка агрегированного социоприродохозяйственного (СПХ) потенциала территории за несколько десятков лет - взвешенной суммы (по годам и по территории) произведений площадей фрагментов территории на значения функций, характеризующих эффективность землепользования каждого фрагмента территории с учетом его функционального назначения, обусловленную фактом его ежегодного весеннего затопления или незатопления. Условиями оптимизации являются предельные величины природного и социохозяйственного ущербов, обусловленные затоплением или незатоплением определенных фрагментов территории. Параметром задачи является величина проектного ресурса. Вектор управления первого типа характеризует параметры гидротехнического (ГТ) проекта в руслах поймы: паводковых плотин с изменяемым поперечным сечением, перераспределяющих паводковые воды для установления целевого режима затопления. Булева матрица управлений второго типа характеризует совокупность социохозяйственных (СХ) проектов, изменяющих вид землепользования некоторых фрагментов территории для повышения эффективности землепользования в результате реализации ГТ-проекта. Для территории ВАП для каждой версии оптимального ГТ-проекта исследованы три сценария СХ-проекта, переводящие устойчиво затапливаемые территории с неопределенным видом землепользования (н) в социоприродные территории и отличающиеся пропорциями переведения частей незатапливаемой н-территории в социальные и социохозяйственные территории. Как показали результаты исследования, установка серии паводковых плотин на р. Ахтуба приводит к эффекту, равному установке одной плотины с максимальной площадью проектного приращения устойчиво затапливаемой территории, равной 81 кв. км. при выведении из устойчивого затопления территории площадью 34 кв.км. Альтернативой являются варианты с проектным приращением устойчиво затапливаемой территории 25-27 кв.км. при выведении из устойчивого затопления территории площадью 1-2 кв.км. Анализ вариантов установки плотин с переменной шириной пропускных вороти в русле р. Волги на различных расстояниях от Волжской ГЭС показывает, что оптимальные варианты размещения одной плотины (на расстоянии от ВГЭС 7500м с шириной ворот 800м или на расстоянии от ВГЭС, 15000м с шириной ворот 250м или на расстоянии от ВГЭС 22500м с шириной ворот 150м), обеспечивают приращение площади территории устойчивого затопления 146 км2 при выводе из устойчивого затопления территории площадью 13 км2. Увеличившаяся на 79 % постпроектная величина относительной площади устойчиво затапливаемой территории равна 0,34. Полученные результаты показывают, что оптимальное размещение и реализация оптимального режима функционирования в период весеннего попуска ВГЭС одной переливной плотины на р. Ахтубе, позволяет увеличить общую площадь устойчиво затапливаемой территории ВАП на 25% и поддерживать ее в течение минимум 50 лет, а оптимальное размещение и реализация оптимального режима функционирования одной плотины на р. Волге позволяет увеличить общую площадь устойчиво затапливаемой территории ВАП на 79% и поддерживать ее в течение минимум 50 лет. Результаты системной оптимизации территории ВАП показывают, что изменение вида разрешенного использования участков территории при установке плотин на Волге дополнительно увеличивают значение агрегированного СПХ-критерия до 83%. Результаты исследования содержатся в базе данных, включающей в себя ретроспективные (за период 1962-1991) современные (1992-2021), прогнозируемые (2022-2052) функции распределения объема весенних паводков и площади затопленной территории; многослойные цифровые карты со слоями ретроспективных, современных, прогнозируемых гидрологической, социоприродохозяйственной, комплексной структур; рельефа, русел, антропогенных объектов, кадастровых участков; территориально распределенных СПХ-критериев, а также краткосрочных и среднесрочных рисков состояния; целевого устойчивого паводкового затопления; оптимальные параметры, адаптивные режимы и ожидаемые эффекты функционирования управляемых паводковых дамб и СХ-проектов. Создана новая версия программно-математического комплекса «WEB-ЭКОГИС», реализующего комплексную модель управления СПХС ВАП, включающая новые модули системной оптимизации гидрологической безопасности.

Публикации