введение - Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В настоящее время по-прежнему злободневными остаются вопросы
изучения закономерностей формирования и прогнозирования водных ресурсов. Все более значимыми становятся также проблемы их рационального использования и защиты от загрязнения, разрешения конфликтных ситуаций между водопользователями. Успешное продвижение вперед в этой
области требует совместного учета большого количества данных и применения методов, позволяющих находить наиболее объективные и наилучшие, в определенном смысле, решения. Значительную помощь в этом
плане оказывает разработка различных моделей, позволяющих системно
организовать имеющуюся информацию.
В гидрологической литературе можно выделить два основных типа
описываемых математических моделей: детерминированные (физикоматематические или динамические) [Кучмент, 1972, 1980; Бураков, 1978;
Виноградов, 1988] и стохастические [Раткович, 1976; Сванидзе, 1977; Рождественский,1977; Шелутко, 1984; Коваленко, 1993; Раткович, Болгов,
1997; Van Gelder , 2004; Болгов, Мишон, Сенцова, 2005]. Модели первой
группы строятся в предположении того, что существуют и могут быть математически записаны физические законы, однозначно определяющие значения гидрологических характеристик на водосборе в зависимости от задаваемых внешних воздействий. В моделях второй группы гидрологические
переменные рассматриваются как случайные величины с известными распределениями или как случайные процессы стандартизованного типа, параметры которых следует определить по данным наблюдений. Промежуточным вариантом между двумя основными типами являются динамикостохастические модели [Великанов, 1949; Рождественский, Тихомирова,1987; Кучмент, Гельфан, 1993; Гарцман, 2005]. Они представляют собой
описание детерминированных зависимостей выходных переменных от задаваемых случайным образом входных и позволяют методом статистических испытаний оценивать вероятностные распределения гидрологических
характеристик. Общей чертой перечисленных типов моделей является требование математической строгости постановки задач и применяемых методов их исследования. Это обстоятельство не всегда позволяет корректно
использовать для моделирования реальные данные, не укладывающиеся в
принятые математические допущения, и создает определенные трудности
в использовании этого метода специалистами географического профиля,
не владеющими достаточно свободно сложными математическими абстракциями.
6
Современный уровень развития географической науки характеризуется широким внедрением электронной информатики во все ее разделы.
Этому способствует стремительное развитие и удешевление цифровых
информационных систем, главным образом, персональных компьютеров и
сопутствующих им средств ввода и вывода данных. Многократно возросшие технические возможности накопления и обработки информации не
могут быть эффективно использованы без разработки методов и программных средств, предназначенных для решения как общих, так и специфических для каждой конкретной области науки задач. Возрастающие потребности в постановке и возможности анализа теоретических и практических проблем стимулируют развитие новых, основывающихся на различных идеологиях, подходов к их решению [Джефферс, 1981; Аверкин, 1986;
Алефельд, Херцбергер, 1987; Нейлор, 1991; Masters, 1995; Черкашин,
1997; Geosciences and …, 1997; Кучмент, 1999; Воробьев, Грибунин, 1999;
Питенко, 2000; Аракчеев, 2001; Solomatine, Dual, 2003; Коваленко, 2002,
2004; htpp://www.lii.newmail.ru/index.htm, http//fuzzyfly.chat.ru/index.htm],
http://www.relpress.website.ru/currier/5/wavelet/wavelet.htm.
Названные обстоятельства обусловливают актуальность настоящего
исследования, посвященного разработке адаптированных к специфике
гидрологических и других географических данных методов моделирования, опирающихся на сравнительно простой и знакомый широкому кругу
исследователей математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и ориентированных на интенсивное использование современной компьютерной техники. Основное отличие предлагаемого подхода от существующих состоит в придании существенно большего значения информационному содержанию моделей и использовании вытекающих из этого методических следствий. Возможности разрабатываемой
технологии демонстрируются на примере создания моделей, предназначенных для решения фундаментальных и прикладных задач в области гидрологии и водопользования. Потребность в подобной работе применительно к Байкальскому региону была в свое время обоснована в коллективной
статье иркутских ученых [Воробьев, Васильев, Антипов и др., 1995].
Объект, предмет и методы исследования
Географическим объектом данного исследования являются реки и
речные бассейны Байкальского региона. Предмет исследования составляют процессы формирования объемов стока и качества воды, проблемы
прогнозирования динамики параметров рассматриваемых водных объектов
и поиска способов оптимизации использования их ресурсов. Основными
методами, используемыми в работе, являются статистический анализ данных, математическое и компьютерное моделирование.
7
Цель и задачи работы
Целью работы является изучение и моделирование закономерностей
гидрологических процессов в Ангаро-Байкальском бассейне и последующее приложение полученных результатов к решению водно-ресурсных
проблем этого региона. Спецификой исследования является использование
и развитие информационного подхода к построению моделей.







Для достижения поставленной цели решались задачи:
определения основных концептуальных положений информационного
моделирования;
развития вероятностных методов и создания программных средств,
предназначенных для поиска и анализа взаимосвязей между измеряемыми характеристиками природных объектов;
совершенствования алгоритмов исследования динамики и совместного
прогнозирования временных рядов;
исследования закономерностей и моделирования сезонной изменчивости стока рек – притоков Байкала;
прогнозирования межгодовой изменчивости суммарного стока в озеро
Байкал;
оптимизации регулирования расхода реки Ангары в створах плотин
гидроэлектростанций;
моделирования динамики распространения загрязняющих веществ при
оценке последствий антропогенного воздействия на поверхностные воды.
Научная новизна работы состоит:
 в формулировке ряда понятий, принципов и технологических элементов информационного моделирования;
 в разработке специфических методов и программных средств для анализа данных наблюдений, использующих в явном виде сведения об их
точности и достоверности;
 в создании группы оригинальных математических, вероятностных и
имитационных моделей гидрологических процессов и в приложении их
к решению достаточно большого круга задач, связанных с изучением
закономерностей формирования и рационального использования водных ресурсов Байкальского региона.
В рамках работы впервые:
 разработаны алгоритмы, основанные на вероятностном описании значений переменных и их зависимости от своих аргументов, предназна-
8
ченные для многомерного статистического анализа нерегулярных данных о совместных значениях параметров природных систем;
 предложены методы совместного вероятностного моделирования и
прогнозирования временных рядов, не использующие априорных предположений об их стохастических свойствах;
 созданы программные средства, реализующие названные методы и алгоритмы;
 по оригинальным авторским методикам проанализированы материалы
о сезонной динамике и пространственной изменчивости климатических, гидрологических и ландшафтных характеристик тридцати двух
водосборных бассейнов, расположенных в Байкальском регионе, и сделаны выводы о закономерностях и особенностях формирования стока с
замыкающих их створов;
 с использованием различных подходов и моделей оценены возможности прогнозирования геодинамических рядов по материалам их наблюдений в прошлом, выделены наиболее эффективные методы, сделаны
предсказания суммарного притока в озеро Байкал;
 предложены: модельное обеспечение, варианты постановки и алгоритмы решения задачи регулирования стока реки Ангары в створах ГЭС в
интересах многих водопользователей;
 разработан ряд имитационных моделей, предназначенных для расчета
динамики распространения примесей на сложных в гидрологическом
отношении участках водных объектов в задачах оценки антропогенного воздействия на окружающую среду.
Практическая значимость
Результаты работы были успешно применены в практических задачах:
 разработки информационной системы «Чистая Ангара»;
 анализа динамики восстановления структуры лесов после пожаров и вырубок в бассейне реки Голоустной;
 прогнозирования вероятного загрязнения воды при строительстве переходов трубопроводов через реки Ангару и Верхнюю Ангару;
 оценки воздействия на реку Ангару и Братское водохранилище нормативных и аварийных стоков загрязняющих веществ с золоотвалов Иркутских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-6;
 разработки системы мониторинга для модельной территории;
 обучения студентов географического факультета Иркутского государственного университета и Саратовского военного института радиационной, химической и биологической защиты.
9
Апробация работы
Результаты проведенных исследований докладывались на различных
совещаниях, в частности: на прогнозной комиссии ВСФ СО РАН (Иркутск,
1981, 1985), на научной школе по математическому моделированию в проблемах рационального природопользования (Ростов-на-Дону, 1988), на совещании по проблемам экологии Прибайкалья (Байкальск, 1990 г), на шестых научных чтениях памяти академика В.Б.Сочавы (Иркутск, 1995), на
конференции «Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий» (Иркутск, 1998), на совещании по оптимизации природопользования в Прибайкалье (Иркутск,1999), на российско-германском семинаре по проблемам оценки воздействия на окружающую среду и экологической экспертизы (Иркутск,
2002 г), на конференции по моделированию географических систем (Иркутск, 2004), на совещании по прикладной географии (Иркутск, 2005), на
конференции по фундаментальным проблемам изучения использования
воды и водных ресурсов (Иркутск, 2005), на конференции «Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах» (УланУдэ, 2005), на ежегодных научных сессиях Института географии СО РАН,
на семинарах в различных научных и учебных организациях городов Иркутска, Москвы и Санкт-Петербурга.
Публикации
Содержание диссертации опубликовано более чем в 30 научных работах. Основными из них являются 4 монографии и 11 статей. Созданы три
программных пакета, распространяемых на дискетах и лазерных дисках.
Материалы, входящие в состав работы, с мая 2004 года выставлены в Интернет.
Личный вклад автора
Основная часть работы выполнена в лаборатории гидрологии и климатологии института географии СО РАН, под руководством зав.лаб. д.г.н.
Антипова А.Н., в рамках ряда бюджетных и хоздоговорных тем, интеграционного проекта №191 ФЦП «Интеграция», гранта РФФИ №97-05964411, проектов ГЭФ №IO20003-S2 и № IO20006-S5. Автором лично разработаны принципы, модели, методы и алгоритмы, описанные в диссертации. Разработка программных средств, форматов задания входных данных
и форм выдачи результатов, описываемых в главах 3 и 5, производилась в
соавторстве с В.В.Кравченко. В сборе и подготовке исходных материалов
для задач, описанных в главах 2-5, принимали участие различные специалисты Института географии СО РАН и других организаций.
10
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка
ссылок. Главы разделены на параграфы, параграфы - на пункты. Текст
диссертации напечатан на 271 странице и содержит 103 рисунка и 28 таблиц. Список использованных источников включает в себя 207 ссылок на
отечественные и зарубежные публикации и страницы в Интернет.
В первой главе рассматриваются методологические вопросы моделирования, вытекающие из его представления как процесса целевого накопления и преобразования информации об объекте исследования. Ее результатом является формулировка понятия и ряда основных положений информационного моделирования.
Вторая глава посвящена анализу и моделированию сезонной динамики гидрологических параметров речных бассейнов. При решении этой задачи использованы разработанные автором методы и программные средства, предназначенные для обработки и анализа эмпирических данных с
учетом их точности и достоверности. В результате выполнения этой работы получены новые оценки ряда параметров речных бассейнов, уточнены
пространственные и ландшафтные особенности формирования годового и
месячного стока.
В третьей главе подробно обсуждаются вопросы прогнозирования
геодинамических процессов по материалам наблюдений за их изменчивостью в прошлом. Проанализированы существующие и предложены новые
подходы к решению этой задачи. С применением разных подходов составлены прогнозы долговременной тенденции изменения притока в озеро
Байкал. Проанализированы различные способы и оценены возможности
составления практически значимых прогнозов годовых характеристик стока на ближайшие годы, следующие за окончанием периода наблюдений.
Четвертая глава посвящена проблемам оптимального управления
водными ресурсами реки Ангары и их информационно-модельному обеспечению. Рассмотрены варианты постановки задачи регулирования расходов в створах ангарских ГЭС в интересах многих водопользователей. Обсуждены принципиальные положения алгоритмов решения этих задач.
В пятой главе информационный подход применен к задачам моделирования распространения загрязняющих веществ в водной среде. В результате получены детальные расчетные оценки динамики изменения качества
воды в рассматриваемых водных объектах при поступлении в них нормативных или аварийных сбросов от проектируемых или действующих предприятий.
11
Благодарности
Автор благодарит своих коллег, в первую очередь, к.г.н. Кравченко
В.В и к.г.н. Федорова В.Н. за конструктивное сотрудничество и критические замечания, позволившие ему в рамках совместных исследований собрать необходимые данные, уточнить формулировки теоретических положений, усовершенствовать методические приемы и получить практически
значимые результаты работы. Автор выражает благодарность докторам
географических наук Алексееву В.Р., Антипову А.Н., Корытному Л.М.,
Мизандронцеву И.Б., Никитину С.П., Черкашину А.К., Шимараеву М.Н.,
которые ознакомились с первоначальным вариантом диссертации и высказали много полезных замечаний по ее содержанию и структуре. Автор
также благодарит д.ф.-м.н. Виноградова Ю.Б., д.т.н. Коваленко В.В. и
д.г.н. Коронкевича Н.И., личные беседы с которыми помогли ему адекватнее оценить наиболее существенные элементы собственной работы.
Защищаемые положения
По итогам работы на защиту выносятся следующие положения:
1. Понятия, принципы и технологические приемы информационного подхода формируют новый взгляд на существо и возможности метода моделирования. Их применение позволяет упорядочить, упростить и облегчить
процесс создания моделей, разработать эффективные способы трансформации и анализа материалов географических наблюдений, а также ориентирует на более объективное отношение к результатам моделирования.
2. Информационные методы и модели при выполнении фундаментальных
и прикладных исследований дают возможность продуктивнее использовать имеющиеся данные и выявлять их ранее неизвестные свойства. В
приложении к гидрологическим проблемам Ангаро-Байкальского бассейна
с их помощью удается получить новые результаты в традиционных задачах изучения закономерностей формирования, прогнозирования и рационального использования его водных ресурсов.
3. Модели оценивания динамики вероятностного распределения в пространстве загрязняющих окружающую среду ингредиентов представляют
собой удобный инструмент для прогнозирования ожидаемых последствий
антропогенного воздействия на водные объекты. В компьютерном варианте такие модели без особых трудностей могут быть построены на основе
интеграции в них самых различных сведений о моделируемых процессах.
Они позволяют с соответствующей исходным данным подробностью и
приемлемой точностью имитировать картину распространения загрязняющих веществ в воде при разном характере сбросов и гидрологических
условий переноса примесей.
12