Петр Пушистов - Наводнения: от защиты к управлению

Выводы

На основе сопряжения системы WMS и моделей CE-QUAL-W2 и MIKE 11 HD разработан единый информационно-вычислительный комплекс для численного моделирования переменных гидродинамики и качества воды участка среднего течения р. Северная Сосьва, бассейн которой станет основным объектом техногенной нагрузки при реализации мегапроекта «Урал Промышленный — Урал Полярный».

Информационно-вычислительный комплекс «Северная Сосьва» позволяет автоматизировать разработку модели батиметрии водного объекта, что существенно сокращает долю ручного труда при подготовке файла батиметрии. Одновременно, с помощью этого комплекса удается увеличить точность воспроизведения переменных гидродинамики по сравнению с ранее разработанными моделями W2—2006 и W2—2009, о чем свидетельствуют данные верификации модели W2—2011.

Описанный информационно-вычислительный комплекс, по мнению авторов, может быть адаптирован и применен для других крупных рек России при решении прикладных задач использования, охраны и восстановления водных ресурсов.

Накопленный авторами опыт разработки ИВК «Северная Сосьва» однозначно свидетельствует о том, что мультидисциплинарный метод прикладного системного анализа водных объектов становится действительно эффективным, когда он базируется на инновационных программных продуктах водохозяйственного назначения, высокотехнологичных информационно-измерительных системах для проведения полевых исследований и подкрепляется на практике целевым образовательным компонентом подготовки системных аналитиков из числа студентов, обучающихся по специальностям: «информатика и прикладная математика» и «экология и природопользование», как это было сделано в Югорском государственном университете (г. Ханты-Мансийске).

Часть 2. Опыт разработки и результаты применения информационно-вычислительного комплекса «Телецкое озеро»

В синопсис этой части монографии [40] включим следующие разделы:

Объект исследования —открытая для внешних геофизических воздействий единая лимнолого-гидрологическая система, включающая в себя: 1) участок реки Чулышман от г/п Балыкча до устья реки, 2) устье реки Чулышман, 3) меридиональную и широтную части Телецкого озера, включая Кыгинский и Камгинский заливы, 4) исток реки Бии, 5) устьевые зоны наиболее крупных боковых притоков к озеру (реки Кокши, Большие Чили, Кыга, Камга, Колдор, Самыш), а также береговые или буферные зоны Телецкого озера и участка реки Чулышман (см. рис. 34).

Рис. 34. Батиметрия Телецкого озера

В 1998 г. Телецкое озеро внесено ЮНЕСКО в реестр объектов Всемирного природного наследия (http://whc.unesco.org). Половина акваторий Телецкого озера и его восточное побережье входит в состав Алтайского государственного биосферного природного заповедника и является особо охраняемой природной территорией. Несмотря на это в последние десятилетия наблюдается рост антропогенных нагрузок, как на экосистему озера, так и на его бассейн. Прежде всего, это связано с массовым отдыхом и туризмом, сопровождающимся ростом потока отдыхающих, строительством объектов туриндустрии и резким увеличением транспортных средств, в том числе маломерных судов (в последние годы озеро посещают от 150 до 250 тыс. человек в год (http://ecoclub.nsu.ru)).

Научно обоснованная система оперативного контроля и управления антропогенной нагрузкой на акваторию и бассейн Телецкого озера отсутствует. Таким образом, проблема разработки методики расчета допустимых антропогенных нагрузок на экосистему Телецкого озера является актуальной, и решать ее, по-видимому, целесообразно в рамках проекта создания системы поддержки принятия решений при интегрированном управлении бассейном и экосистемой озера (Loucks et al., 2005).

Состав ИВК «Телецкое озеро».

Информационно-вычислительный комплекс, разработанный для моделирования циркуляций и термического режима Телецкого озера, с расчетом течений и температуры устьевого участка реки Чулышман, содержит четыре модуля: 1) модуль генерации модели сетки — WMS (http://www.loginetics.com);); 2) базовый модуль ИВК — версия 3.5 модели гидродинамики и качества воды CE-QUAL-W2 (www.aquaveo.com); 3) модуль пре- и постпроцессорной обработки входной и выходной информации — W2i-AGPM for W2 (www.ce.pdx.edu 4) База Данных для обеспечения работы модулей 1 — 3. Для целостного понимания технологического ресурса разработанного информационно-вычислительного комплекса, как эффективного инструмента проведения научных исследований и решения прикладных задач, а также, как потенциальной вычислительной основы СППР интегрированного управления бассейном и экосистемой водоема (Danchev et al., 2010) на рис. 35 приведена схема связи потоков данных ИВК «Телецкое озеро».

Рис. 35. Схема связи потоков данных ИВК «Телецкое озеро»

На рис. 36 показана расчетная сетка РС2 состоящей из 4 водных тел: WB1 — участок реки Чулышман от г/п Балыкча до устья (представлен 3 участками Br 1—3), WB2 — устьевой участок реки Чулышман (представлен Br4), WB3 — меридиональная часть озера (представлена тремя участками: Br5 — южная оконечность озера, примыкающая к устью реки Чулышман, Br6 — глубоководный меридиональный участок и Br7 — Кыгинский залив), WB4 — широтная часть озера (также представлена тремя участками: Br8 — глубоководный широтный участок, Br9 — северо-западный мелководный участок и Br10 — Камгинский залив).

Рис. 36. Расчетная сетка устьевого участка реки Чулышман и Телецкого озера в плане: а) и б) южная оконечность озера, примыкающая к устью реки Чулышман (расчетной сетки РС1 и РС2, соответственно); в) Кыгинский залив — расчетная сетка РС2. IMX — номера сегментов

На рисунке 37 показана расчетная сетка РС2 устьевого участка реки Чулышман и Телецкого озера в плоскости x-z. Толщины слоев воды речного участка (Br 1—3) заданы равными 0,5 м и самого озера (Br 4—10) — равными 1 м в слое от поверхности до глубины 110 м и 3 м ниже этой глубины до дна водоема. Длины сегментов в зависимости от распределения уклонов котловины озера по тальвегу изменялись от 20 до 1000 м.

Рис. 37. Расчетная сетка (РС2) устьевого участка реки Чулышман и Телецкого озера в плоскости x-z : а) основной продольный профиль участка реки (Br 1—3), а также меридиональной (Br 4—6) и широтной (Br 8—9) частей озера; б) Кыгинский залив (Br7); в) Камгинский залив (Br10)

Численные эксперименты с ИВК «Телецкое озеро» позволили, в числе других, решить две конкретные задачи:

1. Исследование механизмов циркуляций и динамики термического режима Телецкого озера при сезонной изменчивости параметров метеорологического и гидрологического форсингов по данным наблюдений Озерной станции ЗС УГМС за 1968—1972 гг. В частности, проведено детальное изучение процессов формирования, перемещения и слияния термических баров Телецкого озера в периоды весеннего и летнего нагревания, включая: