Разработка методики прогноза максимальных уровней половодья на крупных реках Сибири (на примере реки Оби у г. Барнаула).

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 24-27-00157

НазваниеРазработка методики прогноза максимальных уровней половодья на крупных реках Сибири (на примере реки Оби у г. Барнаула).

Руководитель Самойлова Светлана Юрьевна, Кандидат географических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук , Алтайский край

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-708 - Гидрология и водные ресурсы

Ключевые слова Половодье, талый сток, максимальный сток, наводнение, экстремальные уровни, снегозапасы, физико-статистические модели, регрессионный анализ, долгосрочный прогноз, река Обь, Барнаул

Код ГРНТИ37.27.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Одной из главных проблем водохозяйственного комплекса России является затопление и подтопление территорий в период весеннего половодья и дождевых паводков. По повторяемости, площади распространения и суммарному среднегодовому ущербу наводнения занимают первое место в ряду стихийных бедствий. В последние десятилетия отмечается рост повторяемости таких событий, что связано как с изменением стока рек в результате природно-климатических изменений, так и с продолжающимся освоением территорий, подверженных затоплению. На сибирских реках наводнения происходят регулярно, причем наибольшей опасности подвержены наиболее заселенные и экономически развитые регионы юга Сибири, в том числе, территория Алтайского края. Например, в 2014 году в Алтайском крае произошло наводнение, ущерб от которого превысил 5 млрд. рублей. В конце марта 2018 г. в результате сочетания аномальных гидрометеорологических условий сформировался паводок, нанесший ущерб на сумму более 1 млрд. рублей. По масштабам проявления произошедшие в 2014 и 2018 гг. наводнения классифицировались как чрезвычайные ситуации природного характера федерального уровня. Таким образом, совершенствование методов гидрологических прогнозов является одной из важных задач гидрологической науки, актуальность которой обусловлена необходимостью минимизации ущербов, повышения уровня безопасности населения и устойчивого развития паводкоопасных территорий. В условиях длительной зимы основным фактором формирования половодья являются снегозапасы, а также последующие жидкие осадки и водопоглотительная способность бассейна в конце зимы. На практике для среднесрочных прогнозов используются эмпирические физико-статистические зависимости, получаемые с применением одно- и многофакторного корреляционного и регрессионного анализа. В качестве предикторов используются имеющиеся гидрометеорологические данные, прямо или косвенно характеризующие вышеперечисленные факторы. Бассейн Верхней Оби характеризуется неоднородностью ландшафтно-климатических условий, т.к. значительная его часть расположена в Алтайской горной области. С этим связана сложность оценки основных стокоформирующих факторов, в частности, атмосферного увлажнения. Редкая сеть метеостанций не позволяет интерполировать данные об осадках на всю территорию бассейна. Использование данных дистанционного зондирования в горных районах также ограничено. Для оценки снегозапасов в горных водосборах целесообразно использование региональных моделей распределения атмосферных осадков, с учетом характеристик рельефа (высота, экспозиция склонов, уклоны, расстояние до орографического барьера и др.) и ландшафтов. В данном проекте для оценки снегозапасов предполагается использование распределенной модели, учитывающей орографическую добавку к скорости вертикальных движений воздушных масс (изменение скорости вертикальных движений за счет орографии), которая зависит от уклонов поверхности, абсолютной высоты местности, скорости и направления потоков преобладающих воздушных масс. В качестве исходной информации в модели используются месячные суммы осадков с ноября по март по данным метеорологических станций и постов, расположенных в пределах бассейна и на прилегающей территории, что является достоинством данной методики в условиях недостатка метеорологической информации. Предложенная методика успешно реализована в гидрологических расчетах и прогнозах максимальных уровней воды на притоках р. Оби (реки Чарыш, Ануй, Бия), в том числе, в рамках работы региональной Межведомственной группы по вопросам прогнозирования весенних и дождевых паводков. Для крупного водосбора (Верхняя Обь) такой подход будет применен впервые. Реализация проекта может внести вклад в решение проблемы прогнозов половодья для бассейнов рек с неоднородными ландшафтно-климатическими условиями, слабо обеспеченных метеорологической информацией.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Целью первого года работы по проекту являлась разработка физико-статистической модели зависимости максимальных уровней воды за счет снеготаяния от ежегодной суммы твердых осадков в бассейне Верхней Оби. Основной источник питания р. Оби в период половодья – талые воды, поэтому главным параметром, определяющим объем и максимальные уровни половодья, являются осадки холодного периода. Оценка атмосферных осадков в горном бассейне, слабо обеспеченном гидрометеорологическими наблюдениями, является сложной научной задачей. Для расчета осадков холодного периода использована модель В.П. Галахова [Галахов, 2003], основанная на их связи с орографической добавкой к скорости вертикальных движений (изменении скорости вертикальных движений воздушных масс за счет орографии). Сформирована база данных и рассчитаны суммы осадков холодного периода (XI-III) по 19 пунктам наблюдений в бассейне Верхней Оби. Проанализированы зависимости суммы осадков на метеостанциях от орографической добавки к скорости вертикальных движений за период с 1967 по 2022 гг. Построены карты распределения осадков и рассчитаны суммы зимних осадков для горной части бассейна. Для определения максимальных уровней воды от снеготаяния и исключения дождевых паводков построены и проанализированы комплексные графики гидрометеорологических элементов, включающие среднесуточные уровни воды (по данным г/п г. Барнаул), а также среднесуточные температуры воздуха и суммы осадков (по данным ГМС Онгудай) за период с 1967 по 2022 г. Важнейшим этапом в разработке гидрологических прогнозов с помощью традиционных физико-статистических методов является предварительный статистический анализ гидрометеорологических рядов на однородность и наличие трендов. Глобальное потепление привело к существенным изменениям годового и сезонного стока рек, как следствие - нарушению стационарности гидрологических рядов. Изменился характер влияния климатических факторов на сток, что необходимо учитывать при подборе предикторов. В связи с этим был выполнен комплексный статистический анализ гидрологических характеристик по г/п Барнаул. Для оценки однородности рядов использовались: Standard normal homogeneity test, Buishand’s test, Pettitt’s test, которые позволили определить год нарушения однородности ряда, а также традиционные параметрические тесты Стьюдента и Фишера. Установлено, что в связи с потеплением климата наблюдается значимое увеличение базисного и снижение талого стока. Определен год нарушения однородности рядов (1982-83 гг.), что дает основание для разделения ряда на два условно однородных периода. Расходы зимней межени с 1983 г. выросли на 24% (по сравнению с предыдущим периодом). Увеличился сток в первую волну половодья в апреле (за счет сдвига снеготаяния на более ранние даты), снизился - во вторую волну, в мае-июле. Ряд максимальных уровней воды характеризуется отрицательным трендом и неоднороден по t-критерию. Для разработки прогнозной модели проанализирована связь максимальных уровней воды от снеготаяния и суммы зимних осадков, рассчитанных с помощью орографической добавки к скорости вертикальных движений. За период с 1967 по 1983 гг. связь характеризуется R2=0,78. Критерий Нэша-Сатклиффа NSE составил 0,65, что характеризует модель как «удовлетворительную», S/σ - 0,46, что характеризует модель как «хорошую». При переносе зависимости на современный период связь зимних осадков и максимальных уровней ослабевает (R2=0,71). S/σ = 0,5 (на независимом материале - 0,58), характеризует качество модели как «удовлетворительное». NSE=0,71, что также характеризует модель как «удовлетворительную». Установлено, что в результате климатических изменений, связанных с ростом температуры и специфическими условиями формирования снежного покрова, в отдельные годы наблюдается снижение уровней воды за счет слабого промерзания почвогрунтов и потерь талого стока на впитывание. Разработана поправка для расчета уровней в годы со слабым промерзанием почвогрунтов, в зависимости от количества зимних осадков (R2=0,84). С помощью разработанной модели выполнен среднесрочный прогноз максимального уровня половодья в 2024 году (573+/- 40 см над нулем водомерного поста). Расчет выполнен без поправки на слабое промерзание почвогрунтов, т.к. зимой 2023-24 гг. снежный покров сформировался после выпадения жидких осадков и установления морозов ниже -20С. Прогноз оправдался (максимальный уровень 30 мая 2024 г. – 573 см). Таким образом, по итогам 2024 г. разработана физико-статистическая модель зависимости максимальных уровней воды за счет снеготаяния от ежегодной суммы твердых осадков в бассейне Верхней Оби; модель не учитывает влияние жидких осадков на спаде половодья, что позволяет использовать ее для среднесрочных прогнозов при условии, что метеорологические условия периода половодья будут близки к среднемноголетним.

Публикации

1. Самойлова С.Ю., Мардасова Е.В., Коломейцев А.А. Physical-statistical model for forecasting maximum snowmelt-induced stages (the Ob river near the city of Barnaul as a case study) Eurasian Journal of Mathematical and Computer Applications , Volume 12, Issue 3 (2024) 163 – 172 (год публикации - 2024)
10.32523/2306-6172-2024-12-3-163-172

2. Самойлова С.Ю. , Мардасова Е.В., Казанцева В.А. Среднесрочный прогноз максимальных уровней воды в реке Обь у г. Барнаула в 2024 году Известия Алтайского отделения Русского географического общества, 2024. № 3 (74), с. 41-19 (год публикации - 2024)
10.24412/2410-1192-2024-17404