Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока: методы расчетов, прогнозов, оценок риска

ВАК РФ 25.00.27, Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации по теме "Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока: методы расчетов, прогнозов, оценок риска"

На правах рукописи

ГАРЦМАН Борис Ильич

ДОЖДЕВЫЕ НАВОДНЕНИЯ НА РЕКАХ ЮГА ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА: МЕТОДЫ РАСЧЁТОВ, ПРОГНОЗОВ, ОЦЕНОК

РИСКА

25.00.27 - гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Иркутск - 2005

Работа выполнена в Тихоокеанском институте географии Дальневосточного отделения Российской академии наук

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор доктор технических наук, профессор доктор географических наук

Бураков Дмитрий Анатольевич Иваньо Ярослав Михайлович Шимараев Михаил Николаевич

Ведущая организация: Институт географии Российской академии наук

Защита состоится «15» июня 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.003.010.01 при Институте географии СО РАН по адресу: 664033, г. Иркутск, ул. Улан-Баторская, 1. Факс 8 (3952) 42-27-17. E-mail: postman@iiigs.irk.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института географии СО РАН

Автореферат разослан « » апреля 2005 г.

Отзывы на диссертацию и автореферат (в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат географических наук Рыжов Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Катастрофические наводнения на реках - наиболее значимое из опасных природных явлений не только по размерам причиняемого ими ущерба, но также из-за ожидаемого роста их частоты и интенсивности при будущих изменениях климата. За десятилетие с 1993 г. в мире зафиксировано 7 наводнений, разовый ущерб от которых превышал 10 миллиардов долларов - в США, Европе, Китае и Корее. В России последнее десятилетие также отмечено серией исторических наводнений, с ущербами от 5 до 15 миллиардов рублей (Якутия, Юг России и Северный Кавказ). Под воздействием социально-экономических факторов освоение пойм рек приняло такие масштабы, что стало очень сложно создавать упреждающую систему защиты. Экстенсивное развитие хозяйства во многих случаях разрушило геоэкосистемы водосборов - естественные регуляторы речного стока. В результате, за последнее столетие наводнения унесли более 9 миллионов человеческих жизней и причинили огромный материальный ущерб, который имеет тенденцию к росту. Обостряющаяся проблема наводнений сыграла немалую роль в объявлении ООН 1990-х годов десятилетием борьбы со стихийными бедствиями. Вопрос, является ли серия катастрофических наводнений последних лет исключительно неблагоприятным стечением обстоятельств или направленным изменением гидрологического режима, становится жизненно важным для многих регионов мира.

Для устойчивого развития затапливаемых территорий необходимо обеспечение приемлемого для общества уровня опасности наводнений. Технически вполне возможна защита от подавляющего большинства, но сравнительно небольших паводков. Однако, основная доля ущерба приходится на редкие катастрофические наводнения. Поэтому в настоящее время в противопаводковых мероприятиях на первый план выходят задачи управления, создания механизмов административного и экономического регулирования жизнедеятельности на затапливаемых территориях.

Развитие новых моделей для исследования максимального стока рек в изменяющихся условиях является сейчас настоятельной необходимостью. Эти модели должны быть достаточно простыми и универсальными, чтобы применять их в широкой инженерной практике. Независимо от того, достижима ли такая цель вполне в настоящее время, можно рассчитывать на серьёзные результаты, используя новые типы моделей с такими свойствами, как нестационарность, сильная нелинейность, масштабная инвариантность, обусловленность структурой речных систем и т.д.

Максимальный сток рек регионов с преобладанием дождевых паводков в режиме отличается неустойчивостью, сложностью и мозаичностью условий формирования, что требует разработки специфических моделей и методов географического анализа. В нестационарных условиях перспективным является применение ландшафтно-гидрологического районирования, динамико-стохасти-ческих и вероятностных моделей на основе развитых физических гипотез.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью выработки целостного подхода к наводнениям как феномену, возникающему во взаимодействии природы и общества, и создания адекватного научного и инженерного инструментария для решения связанных с ними прикладных задач в современных экономических и природных условиях. Целью является создание новых методов для расчётов и прогнозов параметров наводнений, и управления связанным с ними риском, учитывающих специфику экстремальных процессов, их пространственную структуру и комплексный характер воздействия. Основные задачи работы формулируются следующим образом:

1. Разработать и испытать модель паводочного цикла малого речного бассейна (ПЦ-модель МРБ) в качестве единой методической основы расчётов, краткосрочных и долгосрочных прогнозов, сценарного моделирования максимального стока, эффективной для рек с преобладанием дождевых паводков в режиме.

2. Разработать подход и методы оценки риска, связанного с речными наводнениями, учитывающие комплексный характер и сложную пространственную структуру происходящих процессов, для обоснования защитных мероприятий и контроля их экономических и экологических последствий.

Научная новизна результатов по первой задаче определяется тем, что исследуется модель с сильной нелинейностью, демонстрирующая различные режимы стокоформирования в зависимости от его интенсивности. Основные параметры ПЦ-модели имеют ясный физический смысл, характеризуются надёжностью оценивания и чёткой географической обусловленностью.

Теоретическая часть разработки включает: развитие принципов системного подхода в исследованиях приповерхностного влагооборота на суше и определение его обобщенной структуры в виде иерархии специфических циклов; авторское определение малого речного бассейна как стокообразующего объекта; концепцию модели паводочного цикла малого речного бассейна и анализ географической изменчивости её основных параметров; аналитическое описание и физическую интерпретацию феномена контррегулирования стока при формировании экстремальных паводков.

В методическом плане получено следующее: методика статистического анализа выборок пиковых расходов паводков для определения динамических параметров ПЦ-модели; методика определения емкостных параметров ПЦ-модели способом построения «псевдофазовой диаграммы» МРБ; методика посуточной увязки 8-членного водного баланса МРБ для анализа динамики его элементов по стандартным данным; установлены связи параметров ПЦ-модели с ландшафтными и структурными характеристиками бассейнов и устойчивый региональный характер некоторых из них.

По второй задаче работа направлена на создание достаточно полной и универсальной методологии комплексного оценивания и картографирования риска, связанного с наводнениями в долинах рек горных стран муссонной зоны. При этом внимание уделялось природе, сложному характеру и пространственно-временной структуре риска, отражаемых в вероятностных и качественных

моделях (классификациях), а также увязке главных действующих факторов -затопления и водно-эрозионных процессов.

Основные теоретические результаты здесь следующие: концепция гидрометеорологического риска; региональная генетическая классификация и вероятностная модель русловых процессов; обоснование и анализ понятия «нелокальной» (многомерной) обеспеченности как вероятностной характеристики пространственно-распределённых гидрологических систем. В методическом плане разработаны: метод комплексной оценки и картографирования риска, связанного с наводнениями; методические основы оценки нарушенности естественного характера русловых процессов вследствие хозяйственной деятельности в долинах рек; модель многомерного потока скоррелированных гидрологических событий для пространственного анализа формирования наводнений.

В работе использованы различные методы моделирования - динамического, стохастического и качественного (классификации), - а также общепринятые методики статистического и географического анализа. Единство представляемого исследования обеспечивается, во-первых, общностью предметной области. Все частные задачи исследований относятся к различным аспектам проблемы наводнений. Объектом исследований являются малые и средние реки юга Дальневосточного региона России, в режиме которых преобладает дождевой паводочный сток. Принципиальной позицией автора является ориентация на наиболее массовые, реально доступные массивы исходных данных - это стандартные данные гидрометеорологических наблюдений, а также топографические карты крупного и среднего масштаба (1:25 000 — 1:200 000) и широко доступные специальные карты, характеризующие ландшафты и отдельные их компоненты.

Единство работы обеспечивается также общеметодологической позицией автора, задающей направление, характер и стиль исследования в каждом частном случае. В целом - это позиция системного подхода, необходимого в гидрологии, исследующей наиболее сложные и динамичные процессы абиотической составляющей географической оболочки. Подчеркнём, что нами принимается системная методология в том виде, как она развивается определённым направлением гидрологии (географо-, ландшафтно- или геосистемно-гидрологический подход). Основные положения этого направления восходят к концепциям В.Г.Глушкова и В.Б.Сочавы и развивались в трудах Г.П.Калинина, А.И.Субботина, Н.И.Корон-кевича, И.Н.Гарцмана, Л.М.Корытного, А.Н.Антипова и др., а в русловедении — школой Н.И.Маккавеева и Р.С.Чалова.

Практическое значение работы и реализация результатов. На различных этапах работа выполнялась в рамках плановой, инициативной и хоздоговорной тематики ТИГ ДВО РАН и ДВНИГМИ, а также была поддержана грантами: губернатора Приморского края (1996), РФФИ (1998, 2001 и 2004), Фонда Макартуров (2000), Организации научных исследований Нидерландов (2001) и ДВО РАН (2002 и 2003).

Прикладные результаты по первой задаче: автоматизированный архив ежедневной гидрометеорологической информации, более 300 постов и станций Дальневосточного региона России, КНР, США и зарубежной Европы; методы

5

краткосрочного прогноза дождевых паводков малых и средних рек заблаговре-менностью 1-6 суток; метод построения кривых распределения вероятности максимальных расходов на основе динамико-стохастической модели; оценки влияния рубок, лесных пожаров и малых водохранилищ на режим максимального стока.

По второй задаче разработаны: серия карт риска, связанного с наводнениями, в масштабе от 1:2000 до 1:1 000 000; 6 проектов региональных нормативно-методических документов по различным аспектам оптимизации хозяйственной деятельности в бассейнах рек; опыт прогноза антропогенной динамики русловых процессов под влиянием типичных видов хозяйственной деятельности в долинах; программный комплекс группового моделирования коррелированных гидрологических рядов; опыт моделирования динамики ущербов от наводнений с учетом его пространственного распределения.

Прикладные разработки, программные продукты и карты, внедрены в 6 территориальных управлениях Росгидромета и 4 ведущих проектно-изыскательских организациях Дальневосточного региона, использованы автором в экологическом обосновании и экспертизе более 100 проектов строительства.

Личный вклад автора. Основные результаты получены автором лично в процессе работы по плановым и инициативным темам в ТИГ ДВО РАН. Исследования по оценке и картографированию риска, связанного с наводнениями, -совместные с дгн М.С.Карасевым. Использованы также материалы исследований, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора, представленные в совместных публикациях с кгн М.В.Степановой, кгн Н.В.Кичигиной, кгн Т.С.Губаревой, кгн В.В.Шамовым, М.А.Макагоновой, А.Н.Бугайцом и Н.В.Солоповым. В совместных исследованиях автор выполнял постановку задач, разработку математических моделей, руководил созданием архивов данных и алгоритмов их обработки, анализом и интерпретацией результатов.

Апробация работы. Теоретические положения и результаты работы представлялись на 30 научных конференциях, в том числе: "Гидрология и геоморфология речных систем" (Иркутск, 1997); "Стихия. Строительство. Безопасность." (Владивосток, 1997); «Стохастические модели гидрологических процессов в приложении к проблемам охраны окружающей среды" (Москва, 1998); XXII General Assembly of the Intern. Union of Geodesy and Geophysics (Бирмингем, 1999); "Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия" (Томск, 2000); «Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование» (Москва, 2003); «Изучение и моделирование дождевых наводнений на реках Евразии в условиях изменения климата» (Иркутск, 2003); VI Всероссийский гидрологический съезд (С.-Петербург, 2004); Third Intern. Symp. on Flood Defence and Intern. Symp. on Stochastic Hydraulics (Нимейген, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 61 работа, из которых 32 - статьи и доклады. Подготовлено 5 отчётов о НИР государственной тематики и 6 проектов региональных нормативных документов, из которых один опубликован.

Объём и структура работы. Диссертация содержит введение, 5 глав и заключение. Она состоит из 301 страницы текста, включает 47 таблиц и 44 рисунка, список литературы из 183 наименований и приложение на 2 листах.

Благодарности. Автор выражает благодарность за сотрудничество, советы, моральную поддержку и полезную критику дгн Ю.Б.Виноградову, проф. Р.С.Чалову, дгн Н.И.Коронкевичу, дгн Л.М.Корытному, дгн А.К.Черкашину, дтн М.В.Болгову, дгн А. С. Федоровскому, дгн А.В.Шаликовскому, кгн А.В.Бабкину, а также Российскому фонду фундаментальных исследований, Фонду Макартуров, Организации научных исследований Нидерландов - за материальную поддержку работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

1. Динамика воднобалансовых соотношений малого речного бассейна вблизи состояния полной влагоёмкости в тёплый период адекватно описывается точечной нелинейной моделью паводочного цикла. Модель характеризуется хорошим эмпирическим обоснованием постулатов, ясным физическим смыслом и надёжной оценкой параметров, использованием алгоритма переменной структуры, что позволяет предсказывать явления, слабо- или нефиксируемые наблюдениями.

ПЦ-модель имитирует динамику водного баланса составляющих влагозапаса бассейна, которых выделяется всего 4. Три из них (русловая, грунтовая и «верховодка») образуют гравитационный влагозапас, четвертая представляет негравитационный влагозапас в целом (в основном капиллярная влага). Концепция модели включает пять постулатов, определяющих характерные величины составляющих, их свободную динамику и взаимосвязи: 1) существует критический расход фиксирующий переполнение бассейновой ёмкости; 2) существуют характерные значения влагозапасов составляющих бассейновой ёмкости, отвечающие их наполнению; 3) свободная динамика всех стокообразующих элементов бассейна описывается степенными зависимостями расхода от объёма влагозапаса; 4) расход в замыкающем створе функционально связан с величиной гравитационной составляющей бассейнового влагозапаса; 5) при расходе величина притока в русловую ёмкость равна величине расхода, также равны и их производные.

Набор из семи основных параметров ПЦ-модели подразделяется на динамические (показатель истощения русловых влагозапасов Яус и критический расход и емкостные (влагоёмкости - полная ПВ, наименьшая НВ, гравитационная критическая ГКВ и русловая критическая РКВ; коэффициент свободной пористости к,ж1). Кроме того, используются два дополнительных параметра, оцениваемых путём оптимизации (показатель истощения влагозапаса верховодки Яеер и величина глубокого подземного водообмена gIлуб). Все перечисленные параметры являются интегральными характеристиками малого речного бассейна (МРБ), оценка которых представляет специальный интерес.

Известная методика определения Яус заключается в определении коэффициента наклона нижней огибающей поля точек в координатах 91+1}. Это задаёт линейную зависимость расхода от руслового влагозапаса и кривую его истощения в виде экспоненты. Ключевым параметром паводочного цикла является

критический расход Q,. который отвечает состоянию ПВ МРБ, то есть фиксирует момент наполнения всех составляющих бассейновой ёмкости. Постоянство Qkp сохраняется только в том случае, если ПВ также остаётся постоянной. Это привязывает модель к периоду с положительными температурами, когда отсутствует промерзание-оттаивание почвогрунтов и потери стока формируются по летнему типу.

Неоднородность условий стокоформирования при расходах ниже и выше Qkp приводит к статистической неоднородности выборок пиковых расходов паводков, выраженной в форме двумодальности (многомодальности) их закона распределения. Это подтверждается сравнительным анализом гистограмм паводоч-ных максимумов - всех в совокупности и чисто дождевых, построенных по многолетним данным. За Qkp принимается середина интервала со статистически надёжным минимумом частоты (плотности вероятности), разделяющего основную и дополнительную моды. Оценка затем корректируется в процессе верификации ПЦ-модели, однако практически всегда оказывалась надежной.

Выбрав на спаде двух последовательных паводков даты с расходом Qkp, фиксирующим нулевую величину свободной ёмкости бассейна, запишем элементарное уравнение водного баланса для межпаводочного периода

X=Y+Z, (1)

а для каждого дня этого периода

X'-dV=Y' + г' (2)

Z"-dV=X"-Y", (3)

где X, Yи Ъ — осадки, сток, испарение, соответственно; ' и " означают первую и вторую части периода, разделённые заданной датой; dV - свободная ёмкость бассейна. По уравнению (3) для дня предпаводочного минимума расхода определяем величину dVс точностью до малой величины Ъ", получая эмпирическую зависимость dVот Q - "псевдофазовую диаграмму" МРБ (рис. 1).

Рис. 1. Пример "псевдофазовой диаграммы", р.Комаровка — Сахзавод, F=616 км2 1 - более надежные данные, 2 - менее надежные.

Верхняя огибающая поля точек (линия АВ) соответствует максимально возможным потерям осадков при заданном расходе. Нижняя огибающая (линия АС) отвечает минимально возможным потерям осадков при заданном расходе и представляет собой кривую истощения гравитационного влагозапаса, который описывается степенной (кубической) зависимостью расхода от величины гравитационного влагозапаса. Линия АО представляет собой кривую истощения руслового влагозапаса, который описывается моделью единичной линейной ёмкости. Отрезки ОВ, ВС, ОС и ОБ на диаграмме представляют величины ПВ, НВ, ГКВ и РКВ, соответственно.

Таким образом, можно записать следующие выражения для кривых истощения

где Wи V- объёмы руслового и гравитационного влагозапасов; Крус и к — коэффициенты истощения этих влагозапасов; ' — символ производной по времени () — расход. Приравнивая первые и вторые производные Ж и V при 0=<2«р. получаем

к^((1-Ярус уза^)3 (б):

а зависимость свободной гравитационной емкости от расхода

У=(вч/к)'/3- (<2/к)'/3 (7)

Ординаты кривых АС и АВ связаны постоянным коэффициентом пропорциональности, который выражает долю гравитационной (свободной) влаги в максимально возможном при заданном расходе влагозапасе

^=(1-НВ/ПВ), (8)

то есть выражает «свободную пористость» бассейна. Как видим, систему основных параметров ПЦ-модели можно свести к трём независимым, например, и ПВ.

Приведённые соотношения позволяют выполнять в межпаводочные периоды ежедневную увязку 8-членного водного баланса МРБ, включающего: осадки и сток (измеряются); среднее испарение в соответствии с (1); русловой и грунтовый влагозапасы рассчитываются по (4) и (5) (грунтовый влагозапас 0=У-W); притоки в русловую и гравитационную ёмкости и негравитационный влагозапас определяются пошаговым воднобалансовым расчётом. Это дает массив информации, позволяющий анализировать динамику процессов стокообразования на основе стандартных массовых данных и выполнять алгоритмизацию и верификацию ПЦ-модели.

Параметры ПЦ-модели определялись на 102 малых бассейнах юга Дальневосточного региона (табл. 1). Некоторые из параметров исключительно устойчивы и в первом приближении рассматриваются как региональные константы. Другие, наоборот, отличаются хорошей ландшафтной обусловленностью и подчиняются эмпирическим индикационным зависимостям. Для каждого из параметров получено несколько уравнений регрессии с характеристиками бассейнов, которые могут быть определены по топографическим картам, либо из изданий ГВК.

Таблица 1

Параметры ПЦ-модели МРБ, обобщение по регионам

Параметры МРБ Площадь, км2 Прус л/с* км2 мм/сут ПВ, мм нв, мм гкв, мм РКВ, мм ^пор

Бассейн восточного побережья П риморья, 13 МРБ

Среднее 604 0.324 106 9.12 233 192 41.6 13.9 0.18

Максимум 1740 0.438 141 12.2 270 235 60.1 20.0 0.29

Минимум 31.0 0.149 75 6.48 207 147 32.4 10.8 0.13

Коэф. вариации 0.88 0.24 0.18 0.18 0.10 0.13 0.21 0.21 0.24

Бассейн южного побережья Приморья, 20 МРБ

Среднее 331 0.243 109 9.43 212 176 33.0 11.9 0.15

Максимум 894 0.340 178 15.4 257 215 56.5 18.8 0.22

Минимум 45.4 0.143 74 6.42 163 134 19.6 8.60 0.12

Коэф. вариации 0.76 0.25 0.25 0.25 0.13 0.13 0.29 0.22 0.20

Бассейны Приморской воднобалансовой станции, 18 МРБ

Среднее 156 0.198 89 7.72 167 137 29.8 10.0 0.18

Максимум 755 0.365 118 10.2 194 153 42.8 14.3 0.23

Минимум 5.64 0.027 43 3.73 117 105 11.7 3.90 0.08

Коэф.вариации 1.38 0.42 0.23 0.23 0.11 0.10 0.30 0.29 0.25

Бассейн р.Уссури, 20 МРБ

Среднее 780 0.326 96 8.32 192 153 38.4 12.8 0.20

Максимум 3060 0.538 115 9.92 236 201 56.1 18.7 0.30

Минимум 17.4 0.171 78 6.78 148 114 29.0 9.68 0.14

Коэф.вариации 0.95 0.35 0.12 0.12 0.13 0.14 0.22 0.22 0.18

Бассейны Нижнего и Среднего Приамурья, 11 МРБ

Среднее 865 0.301 98 8.51 - - - - -

Максимум 2220 0.594 138 11.9 - - - - -

Минимум 92.9 0.102 81 7.00 - - - - -

Коэф.вариации 0.78 0.51 0.16 0.16 - - - - -

Бассейны острова Сахалин, 20 МРБ

Среднее 399 0.233 139 12.0 183* 139* 44* 14.7* 0.24

Максимум 1270 0.371 233 20.1 - - - - -

Минимум 15.1 0.103 80 6.92 - - - - -

Коэф.вариации 0.86 0.29 0.25 0.25 - - - - -

- определено только по одному бассейну.

с=а\т+Ъ, причём

(9)

Первым этапом расчётного алгоритма стокообразования является разделение выпадающих осадков между гравитационной и негравитационной составляющими бассейновой ёмкости, которые связаны соотношением

(НВ-С) _ (ГКВ - V)

нв и " ГКВ ' Здесь а, Ь и т - константы; сиу — относительные свободные ёмкости, соответственно негравитационная и гравитационная; С И V- величины негравитационного и гравитационного влагозапасов; НВ и ГКВ - характерные значения этих влагозапасов при Предполагая непрерывное соблюдение (9),

получаем выражение для доли осадков, идущих на стокообразование кх

гквщ

1 ■ НИ + ГКВ "

к =

т а-(ГКВ-•

Данное соотношение применяется при У<ГКВ, иначе осадки полностью идут на стокообразование. Принятые зависимости представлены на рис. 2.

Рис. 2. Схема первого этапа алгоритма ПЦ-модели (а). Зависимости е=/(&) (б) и кх=/(¥) (в) на примере бассейна р.Комаровка-Центральный.

Стокоформирующая доля осадков попадает сначала в промежуточную ёмкость "верховодки", затем в гравитационную ёмкость, в которую «вложена» русловая ёмкость бассейна. Связь "вложения" означает, что доля руслового влаго-запаса в гравитационном изменяется в зависимости от величины последнего. Такая структура введена для описания процессов взаимопревращения форм влаги, не полностью учитываемых моделями добегания, основанными на генетической формуле стока (рис.За).

Водный баланс гравитационной ёмкости описывается системой уравнений

Здесь к1 и к2— константы (к1 определяется через В.рус (6)),р(1) - приток в русловую ёмкость, к(() - внешний приток в гравитационную ёмкость. Аналитическое решение системы возможно при наложении дополнительных ограничений (к($=0 либор(1)=0), в результате чего получаем два варианта кривых истощения (табл.2).

Если исключить t и принять за независимую переменную Q, получим фазовый портрет системы (рис. 36, табл. 2). Видно, что поле фазовых состояний системы разделяется на три качественно различных режима стокообразования, называемых внутриобъёмным, поверхностным и «провальным». Это разделение фиксируется

пересечением функций Р и О с осью абсцисс в точках (2Щ («сверхкритический расход») соответственно, причём <2скр = П<2кр.

QcJ

Рис. 3. Схема второго этапа алгоритма ПЦ-модели (а). Фазовый портрет динамики гравитационной ёмкости на примере бассейна р.Комаровка-Центральный (б). Режимы стокообразования: внутриобъёмный 1, поверхностный 2, «провальный» 3.

и

При режиме внутриобъёмного стокообразования имеются три

формы гравитационной влаги — русловая, грунтовая и верховодка. Русловой влагозапас представлен сетью свободных потоков, непрерывных до замыкающего створа. Грунтовый влагозапас гидравлически связан с системой свободных потоков и движется по закону фильтрации в насыщенном слое. Верховодка существует эпизодически, не связана непрерывной гидравлической связью с замыкающим створом, и движется по закону фильтрации в ненасыщенной среде. Негравитационный почвенный влагозапас включает все формы влаги, движу-

щейся не под действием гравитации и расходуемой на испарение. Его баланс включает долю осадков и испарение, суточная величина которого принята постоянной для всего тёплого периода года, кроме особых случаев. При переполнении негравитационной ёмкости (выше НВ) избыток влаги поступает в ёмкость

верховодки. Глубокий подземный водообмен описывается постоянным потоком влаги

Таблица 2

Решения системы уравнений (11)

«-М'ЧН^Г'

При к(0=О

В, 1

к, - V}

(? = -*, 2к21 +

2 кл + -

3 кУ

2кл + -—• V

' п

4! 1г У = Г„е~3'; Ш = К '„V" При р(0>=0 л, - • и V 1

Г = У = к, Фазовый портрет К К 3 кГ ш5'3' /• \1/3

Переходы от одного режима к другому связаны с превращением менее подвижных форм влаги в более подвижные и обратно при изменении насыщения вмещающей среды, относительно независимо от движения влаги в пространстве. Переход грунтового влагозапаса в русловой происходит при интенсивном развитии временной поверхностной и подземной дренажной сети в периоды переувлажнения. Но существование её неустойчиво, и с прекращением внешнего притока она быстро распадается, причём часть влагозапаса превращается из руслового в грунтовый. То есть, отрицательная величинар(0 в режиме поверхностного стокообразования (поле 2 на рис. 36) отвечает наличию временной дренажной сети, нуждающейся в интенсивном притоке влаги извне. Именно функция внешнего притока к(0 обеспечивает переходы системы из одного режима в другой.

При переполнении бассейновой ёмкости наличие поверхностного стекания полностью контролирует расход в замыкающем створе по величине и динамике. Ещё один механизм превращения форм влаги связан с исчезновением капилляр -ных сил в почве при наличии даже тонкого слоя поверхностного стекания. Следовательно, даже капиллярный влагозапас в моменты экстремального переувлажнения может переходить в гравитационный. Соответствующий режим стокообразования называем «сквозным» или «провальным» (поле 3 рис. 3б), и его можно считать пока скорее гипотетическим. Специфические закономерности этого режима в модели не введены, его анализ затруднён редкостью проявления и сложностью достоверной фиксации.

На рис. 4 представлены расчетные гидрографы ПЦ-модели по сценариям одиночного равномерного дождя - трёх-, двух- и односуточного. Два последних расчёта демонстрирует способность нелинейной модели формировать гидрограф относительно независимо от хода осадков. Отчётливо заметны изменения формы гидрографов при пересечении пороговых значений расходов QXp и QCKp. Превышение пикового расхода паводка над интенсивностью дождя происходит: для 3-дневного дождя - в диапазоне 180-300 мм, для 2-дневного - 240-300 мм, для 1-дневного — такого не происходит.

О, мм/сут 200

180 160 140 120 100 80 60 40 20

а) б) в)

>

Л

И

/Л\

(чК М

<з«о [/А !/\|

----ш//\-----------------

о шг\

---------- ---

10 13 16 19 22 25 28 31 34 1> СУТ

Рис. 4. Примеры расчётных гидрографов ПЦ-модели от одиночного непрерывного

дождя слоем 30, 60 и т.д. до 300 мм: а) за 3 дня; б) за 2 дня; в) за 1 день.

Таким образом, в модели существует возможность сработки влагозапаса с большей интенсивностью, чем происходило его накопление. Выявление и исследования такого феномена бассейнового контррегулирования стока имеет не только важнейшее практическое значение, но и развивает теоретические основы строения и функционирования речных систем. Анализ ежедневных данных по осадкам и стоку на 60 малых бассейнах показал, что вероятность проявлений бассейнового контррегулирования около 0.3-3.0%, максимальное превышение стока над осадками достигает 40-45 мм за сутки, что согласуется с модельными оценками. В ПЦ-модели механизм контррегулирования заложен в самой концепции. Действие его приводит к обновлению и развитию дренажной сети бассейна, росту эффективности дренажа после экстремального паводка, что подтверждается отдельными случаями прямого наблюдения.

2. Модель паводочного цикла позволяет решать большинство инженерных задач расчётов и прогнозов стока рек с паводочным режимом в условиях меняющегося климата и ландшафтов на единой методической основе, с использованием схемы динамико-стохастического моделирования и стандартных данных гидрометеорологических наблюдений.

Для испытаний методик краткосрочного прогноза дождевых паводков использованы девять малых бассейнов Приморского и Хабаровского краёв, отражающих реальное состояние наблюдательной сети и максимальное разнообразие природных условий. Для испытаний выбраны периоды по 7 лет, в течение которых используются данные с июня по сентябрь каждого года. Для выдачи прогноза ежедневно выполняется сначала настройка модели - подбор оптимальных значений величины капиллярного влагозапаса и среднего испарения на предыстории в 7 дней. Признаком оптимальности служит максимальное совпадение наблюдённого и моделированного гидрографов каждой семидневки, оцениваемое квадратичными мерами сходимости. Затем следует расчёт величины стока на 3 суток вперёд в трёх вариантах: при отсутствии информации о будущих осадках, при наличии такой информации и при наличии прогноза осадков. В третьем случае имитировалась реальная оперативная ситуация, когда имеется прогноз осадков на срок до 3 дней по градациям - без осадков, слабые, умеренные, сильные, очень сильные.

Результаты оценивались с помощью стандартной оценки качества прогноза, принятой в Росгидромете (табл. 3). Как видно, практически гарантировано получение методик краткосрочного прогноза дождевого стока малых рек заблаговре-менностью до 3 суток удовлетворительного и хорошего качества, при соблюдении ограничения по площади водосбора (не более 1500-2000 км2) и однородности бассейна. Зависимость качества прогнозов от плотности осадкомерной сети и качества наблюдений за стоком подтверждает адекватность модели. При площади водосбора, значительно превышающей граничную (р.Сукпай-мет.ст.Сукпай, 3060 км2, р.Хор-п.Сукпай, 5950 км2), качество прогнозов резко снижается из-за неучёта руслового добегания.

Таблица 3

Оценки качества прогнозов стока по малым бассейнам S/a (<0.8 - удовлетворительное, <0.5 - хорошее качество)

Река - пункт При отсутс прогноза ос заблаговр. твии дков, сут По измеренным осадкам, заблаговр., сут Прогноз осадков по градациям, заблаговр., сут

1 2 3 1 2 3 1 2 3

Комаровка-Сахзавод 0 730 0.871 0 871 0 573 0.563 0.553 0.653 0 670 0.617

Раковка- Опытный 0.868 0.859 0.855 0.814 0.674 0.585 0.798 0.619 0.589

Борисовка- Корсаковка 0 899 0.815 0 798 0 644 0.485 0 430 0 800 0.674 0 602

Казачка- Птаиловка 1.057 0.879 0.837 0.878 0.744 0.796 0.904 0.700 0.694

Матай-Матай 0 777 0.837 0.866 0.833 0 820 0 740 0.808 0 771 0.716

Матай-Долми - - 0.699 0.606 0.587 0.699 0.660 0.632

Сукпай- Сукпай 1457 1.144 1084 1 512 1.204 1.189 1.453 1.019 0.904

Хор-Сукпай 1.377 1.022 0.886 1.387 1.003 0.842

Кия-Марусино 0.880 0.695 0.749 0.919 0.728 0.711 0.900 0.685 0.647

Наиболее перспективно использование ПЦ-модели в качестве «функции потерь стока» для прогнозов в замыкающих створах крупных и средних рек (до 100-200 тыс. км2). Схема прогноза включает в себя три этапа. На первом для каждого расчётного шага происходит настройка ПЦ-модели по малым бассейнам-

индикаторам за период учитываемой предыстории, затем выполняется расчёт на три дня вперёд с использованием прогноза осадков по градациям. На втором этапе последовательность измеренных и моделированных расходов каждого бассейна-индикатора подвергается трансформации по формуле интеграла свертки (Дюамеля), функция влияния описывается кривой Калинина-Милюкова. В замыкающем створе гидрографы стока с частных площадей водосбора суммируются с соответствующими весами. На третьем этапе полученный гидрограф корректируется с использованием многомерной регрессии вида

/> Qmod.ii ОыЛ (12)

где - расход прогнозный, моделированный и наблюденный соот-

ветственно, шй-текущий момент и заблаговременность прогноза.

<3, мм/сут

14 -]-

О -I-1-.-.-.-.-

1 31 61 91 121 дни

б)

О, мм/сут

1 31 61 91 121 151 Ъдни

Рис. 5. Измеренный (жирная линия) и прогнозные (тонкие) гидрографы р.Хор-п.Хор заблаговременностью 2,4 и 6 суток, испытания: а) - «полного» алгоритма на зависимом ряде, 1985; б) - «неполного» алгорима на независимом ряде, 1999.

Испытания проведены на примере бассейна р.Хор (рис. 5), где с 1983 по 1987 год действуют 3 гидрометрических пункта, используемые как бассейны-индикаторы: р.Сукпай-мет.ст.Сукпай, р.Хор-п.Сукпай и р.Матай-мет.ст.Матай. Алгоритм метода прогноза называем «полным», если набор бассейнов-индикато-

ров достаточно репрезентативен для того, чтобы весь водосбор был поделен на «площади тяготения» и при этом остаточные ошибки были невелики. «Неполным» алгоритмом называется адаптация модели в случае, когда бассейнов-индикаторов недостаточно и существуют значительные части водосбора, не представленные наблюдениями на малых реках. Оценки качества прогнозов по «полному» алгоритма в створе р.Хор-п.Хор с заблаговременностью 1-6 суток и в створе р.Хор-п.Среднехорский с заблаговременностью 1-4 суток относят их к категории хороших. Доработка метода связана с применением «неполного» алгоритма, из-за прекращения наблюдений за стоком в верховьях р.Хор. В качестве зависимого периода для новых испытаний модели использованы годы с 1994 по 1998, в качестве независимого - 1999 и 2000. Оценки качества прогнозов стока в створе р.Хор-п.Хор при заблаговременности 1-6 суток по «неполному» алгоритму составляют 0.18-0.43 (хорошее).

В качестве объектов для численных экспериментов по расчётам максимальных расходов методом Монте-Карло выбраны семь малых рек в Приморье, по наличию стандартных данных по осадкам и стоку достаточной продолжительности, и чтобы отразить максимально возможное разнообразие природных условий. На первом этапе по каждому бассейну выполняется имитационный расчёт стока по осадкам с июня по сентябрь по многолетнему ряду. Целью является подбор оптимальных значений краевых условий за каждый год — среднесезонного суточного испарения и начального негравитационного влагозапа-са. Признаком оптимальности служит сравнение наблюдённого и моделированного гидрографов за каждый год, оцениваемое квадратичными мерами сходимости. Результатом являются погодичные выборки значений краевых условий, которые служат для подбора законов распределения этих случайных величин. Одновременно выполнялась оценка вспомогательных параметров модели путём оптимизации по всему ряду. Модельные гидрографы стока хорошо соответствуют наблюдаемым в многоводные и средние по водности годы (рис. 6).

О, мм/сут

зо т-

25

20 -

0

1

21

41

61

81

101 1, дни

Рис. 6. Измеренный (1) и моделированный (2) гидрографы, р.Комаровка-Центральный, 1974 г.

В маловодные годы совпадения значительно хуже, что соответствует идеологии модели. Качество моделирования в наибольшей степени определяются качеством исходных данных, а также диапазоном изменения расходов. Параметры ПЦ-модели характеризуются региональной устойчивостью и ландшафтно-географической обусловленностью, как отмечалось выше. Отчётливо проявляются закономерности при переходе от центральной части Сихотэ-Алиня к Западно-Приморской низменности. Параметры Я , ГКВ, РКВ, к при этом монотонно и

г г г г рус' ' ' пор -Г

существенно снижаются, такая же тенденция заметна у QKp, ПВ, НВ. Это отражает уменьшение ёмкости и стокообразующей роли дренажных систем. Характерно изменение параметра глубокого притока gлуб — от положительного в горах к отрицательному на равнине.

Статистические оценки оптимизируемых значений среднесезонного испарения, а также начального капиллярного и гравитационного влагозапаса, рассматриваются как предварительные, не позволяющие пока делать выводы о географических закономерностях для этих характеристик. Необходимы их дальнейшие исследования на основе регионального обобщения и установления типовых распределений по ландшафтно-гидрологическим областям с корректировкой для конкретных бассейнов. Оценка результатов моделирования показывает хорошие перспективы использования ПЦ-модели МРБ для расчётов не только максимального, но и сезонного стока рек с паводочным режимом.

На втором этапе полученные результаты применяются для выполнения численного эксперимента методом Монте-Карло. На входе модели используются многолетние ряды ежедневных осадков по разным метеостанциям, краевые условия задаются в виде функций распределения испарения и начальных влаго-запасов, а на выходе получаются гидрографы стока за тёплый период суточной дискретности. Численный эксперимент в каждом случае заключался в 20-кратном моделировании стоковых рядов по одному и тому же ряду осадков и при стохастическом задании краевых условий. Затем формировались по 20 выборок максимальных годовых расходов, которые ранжировались и осреднялись по одноранговым значениям, крайние значения по рангам использовались как оценки границ доверительного интервала.

Полученные осреднённые выборки экстраполировались обычным способом, аппроксимацией аналитической кривой распределения. Так получались различные модельные значения р1% (табл. 4): по зависимому ряду наблюдений метеостанции на бассейне (М3р1%); по полному (включая независимый) ряду наблюдений той же метеостанции (MnQ¡%J', по полному ряду наблюдений опорной метеостанции с длительным рядом наблюдений (M0Q1%)- Для сравнения рассчитывались Q№ по рядам наблюдений за стоком — зависимому (ЮQ¡%) и полному(HПQ1%J- Применяемая схема рассматривается как паллиатив, поскольку не снимает вопроса о виде аналитического закона распределения максимальных расходов. Преимущества дина-мико-стохастического моделирования при этом не используются в полной мере, но выводы о свойствах динамической модели могут быть сделаны.

При недостаточной длительности, низкой точности и большой асимметрии рядов максимальных расходов на Дальнем Востоке вопрос о достоверности ре-

зультатов моделирования весьма сложен и неизбежно решается в значительной мере субъективно. В целом, по данным табл. 4, видно значительное превышение модельных оценок QI% над полученными по рядам наблюдений для бассейнов Западного макросклона Сихотэ-Алиня. Для Восточного макросклона результат обратный, но здесь величины более 300-400 мм/сут вообще представляются недостоверными. По мере увеличения объёма использованной информации оценки для разных бассейнов сближаются. Так, И^1% различаются примерно в 8 раз,

МОгл п. г

для QI% эта величина всего около 2,5.

Таблица 4

Расходы 1% обеспеченности по данным наблюдений и моделирования

Река-пункт

По рядам максимальных годовых расходов По результатам моделирования по рядам ежедневным осадков

зависимый, QI% п!Жный, 01% зависимый, 01% опорная м/с,

59,9 127 60,5 112 112

38,9 72,8 44,3 118 108

103 87,7 75,8 71,4 104

58,4 ПО 150 135 151

112 112 138 170 178

63.7 59.0 118 101 192

331 369 260 444 271

Уссури-Березняки

Каменка-Каменка

Арсеньевка-Виноградовка

Комаровка-ТТентральный

Белая-Руновка

Осиновка-Осиновка

Маргаритовка-Маргаритово

Величины M°QI%, также демонстрируют наиболее чёткую тенденцию роста с запада на восток, а также хорошую сходимость результатов внутри ландшафтно-гидрологических областей. Учитывая общие представления о формировании дождевых паводков, проявление таких закономерностей представляется аргументом в пользу модели. В большинстве случаев М^1% очень близки к M0QI% использование зависимого ряда осадков нередко также даёт удовлетворительное приближение. По-видимому, модельные оценки по опорным метеостанциям являются наиболее адекватными из всех рассмотренных, а в оценках по данным гидрологических наблюдений присутствует значительное отрицательное смещение. Устойчивость результатов моделирования при различных данных на входе открывает перспективу эффективных прикладных решений, основанных на районированных моделях осадков.

Анализ последствий антропогенных воздействий на режим максимального стока демонстрируется на примерах. Исследуется влияние Малоказачинского водохранилища на максимальный сток р.Казачки у с.Пуциловка. Период наблюдений разбит на три выборки - годы до постройки водохранилища, переходные и после постройки. Результаты оценки параметров Яеер и gрруe путем оптимизации по данным за многоводные годы в эти периоды (табл. 5) наиболее адекватно отражают эффект интегрального воздействия на режим максимального стока. Видно значительное уменьшение параметра Яе/!р, выражающего долю влаго-запаса «верховодки», расходуемую на сток в течение одного расчетного шага. Среднее его значение до постройки водохранилища равно 0.94, после — 0.78, что эквивалентно возрастанию водоудерживающей способности «поверхности» водосбора примерно в 4 раза. Ещё более наглядно изменение параметра gгруe от

отрицательных величин порядка -0.2 мм/сут до положительных порядка +0.2 мм/сут. Объясняется это влиянием санитарных сбросов и фильтрацией через сооружения, которые в ПЦ-модели имитируются возрастанием величины глубокого подземного питания реки.

Таблица 5

Параметры ПЦ-модели для р.Казачка - с.Пуциловка

До постройки водох ранилища Переходные После постройки водохранилища

Год 1956 1965 1968 1971 1972 1974 1986 1987 1989 1990 1992 1994 2000 2002

Reep 1 0,9 1 1 1 0,7 0,7 0,7 0,6 0,95 0,65 0,85 0.9 0,75

gznyö 0 -0,8 0 -0,1 -0,1 -0,2 0,3 -0,2 0 0 0,1 0,1 0,1 0,7

Имитационное моделирование длинных рядов, аналогичное описанному выше, с использованием значений Яеер и §рруе до и после постройки водохранилища, и данных по осадкам с опорной метеостанции Тимирязевский (91 год), даёт две модельные кривые обеспеченности. При их сравнении, во-первых, отмечается значительное (до 2 раз) снижение максимальных расходов обеспеченностью более 25%. В интервале обеспеченностей меньше 25% эффект водохранилища выражен менее определенно, кривые дважды пересекаются, но в итоге максимальный расход обеспеченностью 1% до постройки водохранилища выше примерно на 15%, чем после. Подобная методика испытывалась и для анализа изменения режима дождевых паводков под влиянием рубок леса и лесных пожаров. Выявленные эффекты при этом отличаются большим разнообразием и меньшей устойчивостью. Несмотря на предварительный характер результатов, можно заключить, что ПЦ-модель даёт разумно интерпретируемые количественные оценки антропогенного влияния на максимальный сток.

3. Комплексная оценка риска, связанного с наводнениями, основана на вероятностном учёте взаимосвязи процессов затопления и русловых (пойменных) деформаций. Высокая эффективность типа русловых процессов в качестве индикатора риска позволяет выполнять его региональный анализ и картографирование, решать прикладные задачи мониторинга и прогноза риска.

Гидрометеорологический риск в самом общем смысле - это вероятность неблагоприятных и опасных событий, непосредственной причиной которых являются экстремальные значения или экстремальная изменчивость гидрометеорологических параметров. Его особенности: высокая динамичность гидрометеорологических параметров и регулярная повторяемость экстремальных их значений; всеобъемлющий характер воздействия на социально-экономические системы всех рангов; сравнительно очень хорошая обеспеченность данными наблюдений; ярко выраженная региональная специфика комплексов опасных гидрометеорологических явлений.

Как правило, возможно количественно оценить риск даже сложных комплексов гидрометеорологических явлений. В дальнейшем термин "риск" пони-

мается как вероятность сложного события, представленного сочетанием элементарных событий в пределах опредеченной территории и отрезка времени, которая вычисляется на основании абсолютных и условных вероятностей элементарных событий. Оценка риска основана на вероятностной модели процесса, состоящей из: а) совокупности элементарных событий; б) совокупности безусловных вероятностей элементарных событий; в) совокупности условных вероятностей элементарных событий в различных сочетаниях.

Значительная часть невосполнимого ущерба от наводнений непосредственно связана не только с фактом затопления, но и с интенсивными русловыми деформациями. Кроме того, сам рельеф поймы, с его характерной ярусностью, является результатом современных процессов русловых и пойменных деформаций. Поэтому комплексная количественная оценка риска, связанного с наводнениями, основывается на учете взаимосвязи режима стока и русловых деформаций. Затопление территории, вызываемое превышением характерных уровней воды, описывается непрерывной кривой обеспеченности (вероятности превышения) уровней. Деформации русел и поймы с некоторой долей условности можно считать дискретным процессом, который ассоциируется с набором русло-формирующих расходов воды (0фор)- На разных реках наблюдается разное количество (0фор, которые в многолетнем плане соответствуют наибольшей величине транспорта наносов и наиболее интенсивным русловым деформациям.

Таким образом, риск затоплений и разрушений при наводнениях может быть вычислен как вероятность прохождения одного или нескольких 0,фор, либо расходов заданной обеспеченности, в течение расчётного промежутка времени. В качестве примера приводится анализ расчет риска при строительстве мостового перехода через р.Раздольная по автодороге Уссурийск — Утёсное (рис. 7 на вкл.). На данном участке выявлены 5 видов опасных событий, каждое из которых наступает вследствие одного или нескольких паводков определённой обеспеченности (табл. 6 на вкл.).

Вычисление риска в простейшем случае выполняется на основе биномиального закона вероятности сочетания независимых событий - формулы Бернулли. Вероятность прохождения / и более паводков обеспеченностью р за п лет равна

= , (13)

*=/

где п - число испытаний (количество лет расчетного периода); к - число успешных испытаний (число паводков заданной обеспеченности за расчетный период); " -число сочетаний из п по к ;р и (1-р) - абсолютные вероятности успеха и неуспеха в одном испытании. Отсюда вероятность, что некоторое событие 0 (паводок), имеющий средний период повторяемости Т лет, произойдет по крайней мере один раз в течение п лет, равна

Л=^(к>=1,п)=1-р(е)"=1-(1-1/7)л. (14)

Это выражение фигурирует в некоторых пособиях по гидрологии и гидротехнике как «формула надёжности». В более сложных случаях используются формулы исчисления условных вероятностей либо метод статистических испытаний

(Монте-Карло). Каталог рисков может быть разработан для любого участка речной долины, любого комплекса хозяйственных объектов и произвольного периода времени.

При региональном анализе за показатели руслоформирующей деятельности реки приняты количество, величины и обеспеченности Qфюp. Н.И.Маккавеев предложил определять величину Qфpp по максимумам кривой

<2=№тР1а) (15)

где Q - расход воды, Р - суточная вероятность данного расхода, т - показатель крупности руслового аллювия, а - коэффициент ширины разлива, / - уклон водной поверхности. Кривая интегрально отражает процесс взаимодействия руслового и пойменного аллювия с потоком переменной транспортирующей способности.

Сходство кривых связи расходов воды и взвешенных наносов (по данным наблюдений), и кривых, построенных по методике Н.И.Маккавеева, показывает, что пики последних действительно соответствуют максимальным объёмам транспорта взвешенных наносов. Анализ поперечных профилей долин рек, материалов аэрофотосъёмок и полевых обследований свидетельствует о том, что прохождению определённых Qфоp соответствуют те или иные виды русловых деформаций, образующие различные формы руслового и пойменного рельефа. В частности, всегда можно выделить Qфop, вызывающий наиболее активные плановые деформации русла. Обобщение обширного материала по рекам юга Дальневосточного региона позволяет утверждать, что принятое понятие Qфp адекватно отражает реальные природные процессы, и их величины могут быть определены по данным стандартных гидрометрических наблюдений.

Условия развития поймообразующих процессов определены следующим образом: беспойменная долина - пойма не выражена; ограниченные условия - границы пояса активных плановых деформаций русла близко прилегают к коренным бортам долины; литологически ограниченные условия - пояс активных плановых деформаций русла прилегает либо к одному коренному борту, либо к обоим, но попеременно на небольших участках; свободные условия - границы пояса активных плановых деформаций русла удалены от коренных бортов долины. При прохождении расходов редкой повторяемости в ограниченных условиях воздействие водного потока на пойму резко возрастает, что выражается в отклонении верхней части кривой Qфюp вправо (табл. 7). При литологическом ограничении этот эффект выражен слабее. В случае свободного развития поймооб-разующих процессов поток на пойме слабо воздействует на пойменный рельеф, что отражается в отклонении кривой Qфюp влево.

Выделяются структурные уровни русловых процессов: 1) безгрядовое движение наносов; 2) движение наносов в виде мезоформ руслового рельефа; 3) движение в виде макроформ руслового рельефа при одновременном развитии мезоформ; 4) развитие макроформ русла при редуцированных или отсутствующих мезоформах. Структурный уровень и условия развития русловых деформаций и поймообразующих процессов тесно взаимосвязаны.

Рис. 7. Анализ риска, связанного с наводнениями, на участке р.Раздольной у г.Уссурийска (картосхема).

а, Ь, с,4,е- события, описанные в табл. 6; голубые и красные линии - контуры русел в 1997 и 1954 гг., стрелки - места возможного формирования проток.

Таблица 6

Каталог рисков неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями (пример: мост через р.Раздольную у г.Уссурийска)

Событие Причина Кол-во и обеспеч. паводков Риск за N лет, %

10 25 50

а. Временное нарушение движения по дороге без существенных разрушений Затопление полотна дороги 1, 20% 88 100 100

Ь. Нарушение движения по дороге и мосту с приведением их в аварийное состояние Движение излучи ны выше моста 2, 20% 62 98 100

с. Долговременное нарушение движения по дороге с разрушением полотна Прорыв протоки, секущей дорогу 1, 1% 10 22 40

Временное нарушение водоснабжения без существенных разрушений Затопление водонасосной станции 1, 33% 98 100 100

е. Долговременное нарушение водоснабжения с разрушением водовода Прорыв протоки, секущей водовод 1, 1% 10 22 40

i 1 русла прорванные протоками задолго до завершения цикл* меендр»фоеания) — с 29 При паводках 1-Э категорий - оползание излучин вниз по течению со скоростью до 20 м/год. Прорыв излучин спрямляющими протоками Заиление, опевчанивание, окамиевамиа поймы.

D SO При паводках 4 категории - формирование прирусловых отмелей побочной мегких островов При паеодквх 1-Э категории -оползание побочией а ни» по течению

1 1 расположеннные езвимоеаяза иные рютшшм ■(отчеством рукавов) — е 1 При паводках 1 катагории - ааипение, спесчаниеание поймы Формирование отдельных пойманных проток

"л с 29 При паводках 1-Э категорий» скачкообразные гмпмрнип главного русла * рукава формирования новых проток и рукаеоа русла поперечные омещвния изпучин до 10 м/год. 3антенна

о SO При паводках 4 категорм« • формирование прирусловых отмелей, пляжей, кос При паводках 1-Э катагории - оползание побочной вниз по течение

1 Иэаигмстьм рукам в 1 При паводках 1 категории • аеилвние опесчанивание поймы

с 25 При паводках 1-Э категорий -пере раолредела нив стока между рукавами прорыв излучин рукавов, поперечные смешения иэлучю« Заиление, олета нива нив, окамневание поймы

на пойма (разбросанное по аотмв русло в виде дгмнных изеилистьес рукавов, по4Ма ресыланене протоками) W*

■ □ 75 При паводках 5 категории - формирование прируслоаых отмелей, мелких островов При паводсах 1-3 категор*е« - оползание по бои ней вниз по течению

I I 1 i 1 1 i Сагмантныа и петлеобразные излучины (свободны* крутые излучины однорукааного русла} — в 1 При паводках 1 категории - заиление,

0 с 29 При пееодках Э категорий - закономерное развитие излучж русле от опабоеырвжен! ад до пвтлвоОразиьас Размыв вогнуть« берегов излучин При пееодках 1-3 категорий - зеиленме.

ш о TS При паводках б категорм* - формирование прирусловых отмелей, мелких островов При паводках 1-3 категории - сползание побочной вниз По течению

i петлеоб резные излучют малого радиуса кривизны а извилистом пояса маандрироаания (свободныв крутые излучины однорукааного русла, осложненные разветвлениями руст* и изаигмстост* пределах дницв слабо« ырвж виной догмт) в 1 При паводках 1 категории • заиление,

г* с 29 При паводках Э категорий - закономерное развитие петлеобразных излучин руола малого радиуса кривизны Рвзмыв вогнутых берегов излучин оо скоростью до 3 м/год. При пееодках 1-Э категорий » заиление, опесчвниеение поймы

0 75 Мезоформы руслового регъефв слаборазвиты и стабильны

саыие 500 ООО ® от 100 ООО до 500 000 © от 50 000 до 100 000 О от 10 000 до 50 000 о от 1 000 до 10 000 о манее 1000

ПО АДМИНИСТРАТИВНОМУ ЗНАЧЕНИЮ Владивосток Центры краёв

? ® ® о в • Центры краёв и районов

ПО ТИПУ ПОСЕЛЕНИЯ

Уссурийск Города

Шютоео Посёлки городского типа

Посёлки сельского типа

ПУТИ СООБЩЕНИЯ

Железные дорого

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

С. усовершенствованным покрытием (асфальт Д/ С покрытием (гравий, щебень, дресва)

ай

Классификация морфологически однородных учаетков речных долин по степени риека и характеру неблагоприятных и опаомых событий, ввязанных о наводнениями

1 1 [ 1 Тот руол» (кратко* описание) ||| 1 | Зоны а предал ■х учаопсе (по комплексной оценка риска развития аодио-ерозионных процессов)

!|| и и® ||1 |Н I» 11 Динамика руслового и пойманного ральефв

1 ! | 0»юру«мм* (относительно однорукааное русл» с неразвитыми Формами) Вразанны» следует мгибам умййбпшйнвмюй / в 1 При пааодках 1-2 категорий преобладает Бесструктурный транспорт наносов о отдельными скоплен мам и а русл» Пойма на развита

с 10

К

0 50

1 Просты» одиночные (отдвтхл та остром-оаерадрси формируют одимспме уа(ы ветвления руст) в 1 При паводках 1 категории • ааиланиа, опаечаниааниа поймы

✓ с 10 При пааодках 1-2 категорий • формирование и отмирание островов при иадвигаии лобочей на у»лы ветвлении Заиление, опаечаниааниа поймы

0 50 При паводках 4 категории • формирование прирусловых отмелей пляжей

1 излучины. однорукавно« меженное русло огибает лобочни, расположенные а шахматном порядке) — в 1 При паводках 1 категории - ааиланиа огесчаниваниа оквмнаванив поймы

7 с 10 При паводках 1-2 категорий -сполааниа побочной ани« по тачание со скоростью во 300 м/год Заиланиа, опасчаниааниа. окамнааакиа лоймы

0 50 При паводкех 4 категории * отчленениа побочной от барагоа спрямляющими протока и и

? 1 1 £ 1 руста и* совладают с изгибе и и долины и ограничат а тне долины ига) уступами террас) формируются при набегании потока на коренной берег игм при продммеитальном примыкании к ней у с одной стороны дамны) — в 1 При паводках 1 категории - заиление опесчаниовнив, окамнееание поймы Формирование проток, спрямляю«!»« крутые вынужденные излучины

с 10 При паводках 1-2 категорий - оползание излучин вниз по тече! 1ию со скоростью до 10 м/год. Превращение пологих вынужденных на лучин в крутые, которые уСГГОЙЧЮЫ АдВПТЬфОО В1II та излучины также устойчивы Заиление,

о 50 При пааодках 4 категории -деформа 1*чи перекатов а пределах их седловин При пааодках 1<Э категории «сползание побочной »низ по течению

! 5 - 1 —1 т 1 !-=— При паводках 1 категории - заиление. Формирование стдагъкых пойменных

Рис. 8. Легенда карты «Индикационная оценка риска затопления и развития водно-эрозионных процессов при наводнениях в долинах рек Приморского края», фрагмент.

а) классификация участков долин;

б) общая часть

б)

Природно-территориапьные комплексы

- стокоформируюшие -транзитные

- аккумулирующие

Границы региональных областей

-формфования/транзита водных ресурсов - транзита/концентрации водных ресурсов

НАСЕЛЁННЫЕ ПУНКТЫ

ПО ЧИСЛУ ЖИТЕЛЕЙ

Рис. 9. Карта «Индикационная оценка риска затопления и развития водно-эрозионных процессов при наводнениях в долинах рек Приморского края» м-ба

1:1000000, фрагмент

В условиях неустойчивого водного режима и сложной геолого-геоморфологической структуры водосборов и долин рек Приморья характерно выявление до 4-5 Qфap в одном створе. Анализ кривых Qфap рассчитанных по данным 52-х гидрометрических постов, показал, что по обеспеченности эти расходы тяготеют к определённым значениям, позволяющим выделить 7 категорий паводков. Наиболее важны категории с 1-й по 4-ю - катастpофические, выдающиеся, высокие и сpедние паводки (обеспеченностью около 1, 10, 25 и 50% соответственно). В соответствии с геологическими условиями развития русловых деформаций и поймообразующих процессов, геоморфологической структурой водосборов и размером рек, выделяются 6 типов кривых Qфop. Типы кривых тесно связаны с типами русловых процессов.

Региональная модель развития системы "водный поток - русло" (табл. 7) представляет собой инвариантно-генетическую последовательность стадий развития, внутри которых выделяются этапы в соответствии с величиной составляющих баланса транспортируемых наносов и знаком результирующего баланса. Каждому этапу отвечает определённые типы русловых процессов (ТРП): бесстpуктуpный тpанспоpт наносов, осеpедковый, побочневый, огpаниченное и незавеpшеенное меандpиpование, pусловая и пойменная многоpукавность, свободное меандpиpование, свободное меандpиpование в извилистом поясе меандpиpования. Каждому из девяти ТРП отвечают 1 или 2 морфологических типа русла, специфические условия развития русловых деформаций и поймообра-зующих процессов. Как при врезании, так и при накоплении аллювия, саморазвитие системы "водный поток - русло" приводит её к состоянию динамического равновесия, неустойчивому в первом случае и устойчивому во втором. Неустойчивое равновесие при больших объёмах обменных масс сменяется накоплением, устойчивое приводит к редукции руслового процесса при прогрессирующем снижении объёмов обменных масс.

Модель, таким образом, представляет собой классификацию, объектами которой выступают моpфологически-одноpодные участки pечных долин, выделяемые на основании размера реки, однородности геолого-геоморфологического строения и гидрологического режима. В зависимости от фоновых условий выделяются три основные разновидности участков - областей формирования, транзита и концентрации водных ресурсов. Раздельно рассматриваются местные малые и средние реки, и транзитные крупные реки с площадями водосбора более 10000 км2.

Категории обеспеченности паводков определённым образом коррелируют с ТРП. Для ограниченных условий развития поймообразующих (ТРП 1-3) характерно прохождение Qфap 1, 2 и 4 категории, для литологически ограниченных условий (ТРП 4-6) - 1, 3 и 4 категории, для свободных (ТРП 7-9) - 1, 3 и 5 категории. Таким образом, морфология речных русел может служить надёжным индикатором как условий затопления поймы во время паводков, так и характера и интенсивности русловых процессов и эрозионно-аккумулятивных процессов на пойме. На основании информационного анализа выявлены типичные парагенети-ческие сочетания ТРП на реках Сихотэ-Алиня и Уссури-Ханкайской впадины.

Таблица 7

Инвариантно-генетическая последовательность развития системы "водный поток - русло"

Структурный уровень руслового процесса Безгрядовое движение наносов Мезоформы руслового рельефа Мезо- и макроформы руслового рельефа Макроформы репных порядков при редукции мезоформ

Стадии развития речной долины Врезание Неустойчивое динамическое равновесие (при большом объеме обменных масс) Накопление Устойчивое динамическое равновесие (при малом объеме обменных масс)

Условия развития русловых деформаций Ограниченные Свободные Ограниченные Свободные

поймообразую-щих процессов Беспойменная долина Ограниченные Литологически ограниченные Свободные

Баланс рыхлого материала „равновесие Я

---

Тип руслового процесса (номер) Бесструктурный транспорт наносов 1 Осередковый 2 Побочне-вый 3 Ограниченное меанд-рирование 4 Незавершенное меанд-рирование 5 Русловая 1 много-рукавность 6 Пойменная много-рукавность 7 Свободное меандрирова ние 8 Свободное ме-андрированпе в извилистом поясе меандрировання 9

Тип русла Однорукавное горное русло Простые одиночные разветвления Синусоидальные из-лучнны меженного русла Ограниченные излучины Прорванные излучины Сложные сопряженные разветвления Разветвления с извилистыми рукавами на пойме Сегментные и петлеобразн ые излучины Сегментные и петлеобразные излучины малого ради>са кривизны в составе сложных излучин

Врезанные излучины Вынужденные и адаптированные излучины

Тип кривой русло-формирующих расходов 0 1 Р " э III £ 0 IV 0 V VI >

<ЛЧб сутш <ЗтР1б сгр;б

При районировании речных долин на каждом морфологически-однородном участке выделяются 4 зоны риска: А, В, С и Б. Различия комплекса факторов риска в этих зонах определяют условия ведения и ограничения хозяйственной деятельности на поймах, а также степень эффективности защитных мероприятий: подсыпки территории; обвалования; регулирования русел; регулирования стока (табл. 8).

Карты риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями, строятся двух типов: карты в масштабе планов землеустройства и архитектурных планов - от 1:25 000 и крупнее; бассейновые и региональные обзорные карты масштаба 1:100 000 - 1:1 000 000. Первые направлены на оценку риска эрозии сельхозугодий и детальный анализ риска для инженерных сооружений. Вторые необходимы для регионального обобщения данных об опасности, связанной с наводнениями.

Картографирование производится в два этапа. На первом составляется карта, содержащая полную информацию о принятой вероятностной модели процесса. Наносятся все постоянные и временные водные объекты поймы, выделяются уступы поймы, подмываемые и намываемые берега. По многолетним данным оценивается направленность и средняя скорость вертикальных деформаций русла, характер и интенсивность его плановых деформаций. На основании всего комплекса материалов выделяются морфологически-однородные участки речных долин с одним ТРП.

Второй этап состоит в нанесении информации об основных видах неблагоприятных и опасных событий и об итоговых оценках наиболее типичных рисков. Главной задачей этого этапа является нанесение границ основных зон - А, В, С и Б. На карту выносятся также сведения об обеспеченности затопления границ зон (по участкам и подучасткам), средней и максимальной глубине и продолжительности затопления, другая дополнительная информация. Примеры детальных карт на различных этапах исследования выполнялись: для долины р.Партизанской в масштабе планов землеустройства (1:25 000), для г.Уссурийска в масштабе генерального плана (1:10 000), и для с.Владимиро-Александровского в масштабе плана застройки (1:2000).

Для бассейновых и региональных карт использовалась топографическая основа среднего масштаба. На них выносились границы морфологически-однородных участков и их номера, а также границы зон риска В и С в пределах каждого участка. Карты сопровождаются таблицами с информацией о номенклатуре листов крупномасштабной топоосновы, классификационных индексах русловых процессов, комплекс расчётных характеристик затопления и сведения о гидрометрическом пункте-аналоге для каждого участка. Это позволяет выносить зоны риска в натуру или на планы застройки, земле- и лесоустройства, а также получать сведения о глубине и продолжительности затопления любого участка, динамике водно-эрозионных процессов. Выполнены карты риска в масштабе 1:200 000 для бассейна залива Петра Великого и в масштабе 1:1 000 000 - для Приморского края (см. рис. 8,9 на вкл.).

Таблица 8

Концепция тонирования речных дат ни по степени риска неблагоприятных и опасных _событий, связанных с наводнениями__

Зонариска

Качественный признак, цели гос. регулирования

Характеристика факторов риска

Возможные неблагоприятные и опасные события (по категориям хозяйственных объектов)

Рекомендуемые защитные мероприятия

А—низкого риска Неспецифический хаpактеppиска от наводнений. Привлечение средств для ликвидации последствий системных катастроф.

Редкое затопление на небольшую глубину, вероятность ущербов от наводнений нецелесообразно учитывать отдельно от других видов стихийных бедствий.

Точечные и линейные

Инженерные: Защита

сооружения: Затопление (временное прекращение работы, вывод из строя, снижение капитальности и срока службы) Площадные_

от общего комплекса природных факторов Неинженерные:_

(сельхозугодья и т.п.):

Информационное и нормативное обеспечение, обычное страхование

В

среднего риска

Контpолиpуемый хаpактеppиска от наводнений. Стимулирование хозяйственной деятельности при развитии систем защиты, повышение устойчивости функционирования хозяйственных объектов.

Нечастое затопление территории на умеренную глубину, слабое развитие линейной и плоскостной эрозии, преобладают аккумулятивные процессы. Зона находится за пределами активных плановых деформаций русла. Реальная надёжность сооружений отвечает проектной. Необходим учёт осреднённых оценок типичных рисков.

Затопление, заиление, опесчанивание (гибель урожая)

Источники (экологичес-

Инженерные: Ло-

ки особо опасные): За-

кальные защитные мероприятия (подсыпка, одамбование). Неинженерные: Ин-

топление (вынос загрязнений)

формационное и нормативное обеспечение, система мониторинга, оповещения и спасения, прямая компенсация, специальное добровольное и обязательное страхование.

С — высокого

риска

Неконтpолиpуемый хаpактеppиска от наводнений. Жесткое

ограничение деятельности, повышение устойчивости функционирования хозяйственных объектов.

Частое и продолжительное затопление на большую глубину. Развитие эрозионной деятельности на пойме и активные плановые деформации русла. Реальная надёжность сооружений ниже проектной. Необходима индивидуальная оценка всех возможных рисков.

Точечные и линейные:

Инженерные:

Затопление, эрозия (разрушение, временное прекращение работы, вывод из строя, снижение капи-гальности,срока службы) Площадные: Затопление.

Локальные защитные сооружения в комплексе с регулированием русел и/или стока.

Неинженерные:

эрозия, опесчанивание, окамневание (гибель урожая, снижение плодородия, вывод земель из сельхозоборота) Источники: Затопление.

эрозия (разрушение хранилищ, вынос загрязн.)

Информационное и нормативное обеспечение, система мониторинга, оповещения и спасения, прямая компенсация, обязательное страхование, отселение

Р- постоянной

опасности

Понятие pиска не пpименяется. Запрет освоения, только необходимые сооружения.

Русло с подвижными прирусловыми формами, где разрушительное воздейсвие водного потока присутствует постоянно.

Точечные и линейные:

Инженерные: Защита

Только специальные

гидротехнические

сооружения

Площадные и источники: Не размещаются

предусмотрена конструкцией, Р1еинженерные: Не требуются

Разработанные принципы и методы эффективны при мониторинге и прогнозе риска в таких актуальных сферах, как экология и специализированное страхование от наводнений. Так, результаты картографического и натурного анализа антропогенной динамики русловых процессов на 26 участках общей протяжённостью около 170 км позволили выявить её основные закономерности при сужении поймы дамбами, дорожными насыпями и мостами, урбанизации, а также последствия прямых воздействий на русла. Это приводит к стеснению потока, аналогичному изменениям условий развития поймообразующих процессов в сторону ограничения. Результатом являются смены ТРП на предшествующие в последовательности, т.е. к переходу на более «ранние» этапы развития системы, соответственно интенсивности воздействия. Сформулированы критерии 4 степеней антропогенной нарушенности русловых процессов: 1 -изменения отдельных элементов руслового и пойменного рельефа без смены ТРП; 2 - смена ТРП, но без смены стадии развития; 3 - смена ТРП и стадии развития, но без смены структурного уровня; 4 - смена ТРП, стадии развития и структурного уровня. Первая степень может считаться безразличной, 2-я - приемлемой, 3-я — нежелательной и 4-я - недопустимой.

Эффективность деятельности в сфере страхования от наводнений оценивалась на основе моделирования методом Монте-Карло динамики баланса его приходных и расходных статей. Эксперименты показывают, что осреднённые величины рисков и ущербов должны рассчитываться для объектов различного характера в зависимости от ТРП, категории паводка и зоны риска. Специфика страхования от наводнений определяется необходимостью учета пространственной структуры сочетаний паводковых событий. Значительная синхронность страховых событий даже на региональном уровне рассмотрения приводят к необходимости периода начального накопления страхового фонда, когда вероятность разорения компании велика.

4. Вероятностная характеристика событий в пространственно-распределённых гидрологических системах требует обобщения понятия обеспеченности на многомерный случай. Смысловое содержание многомерной обеспеченности зависит от задачи исследования, её оценка в общем случае может быть выполнена методом численного вероятностного эксперимента.

Развитие методологии инженерно-гидрологических расчётов требует усовершенствования вероятностных оценок сочетаний событий, происходящих в произвольных пространственных и временных границах и привязанных к конкретным экономическим субъектам. Это возможно на основе применения многомерного анализа и моделирования, включая понятие «нелокальной» обеспеченности (сложного) события. Базовое для гидрологических расчётов понятие обеспеченности представляется вполне строго определённым и интуитивно очевидным. Однако такими свойствами обладает пока только хорошо исследованная «локальная» обеспеченность - понятие, применяемое к оди-

ночному стационарному процессу, описываемому интегральной вероятностью Ж непревышения переменной х заданного значения X

Обеспеченность представляет собой вероятность превышения заданного значения, и в сумме с Ж(х) даёт единицу. В многомерном случае рассматривается совокупность нескольких характеристик, и обобщение понятия обеспеченности обычно выполняется путём увеличения кратности интеграла и мерности функции в формуле (16), но качественная определённость его подразумевается неизменной. Покажем сначала на примере, что в действительности это не совсем верно.

Обычно зона затопления заданной обеспеченности (например 1%-й) на значительной территории строится в виде верхней огибающей зон затопления отдельных расчётных створов при одинаковой величине обеспеченности. Эта зона охватывает все хозяйственные объекты, которые (индивидуально) затапливаются с заданной или большей вероятностью, и обладает свойством аддитивности в пространстве. Кажется естественным вывод, что при наводнении 1% обеспеченности затапливается найденное таким образом количество сооружений, гектар и т.д., и на этой основе можно определить ущерб той же расчётной обеспеченности. Тут и заключена принципиальная методологическая ошибка. Потому что выделенные совокупности объектов и территорий все вместе затапливаются гораздо реже, чем 1 раз в 100 лет. Указанное расхождение тем больше, чем менее скоррелированы колебания уровня воды в пределах бассейна. В крайнем случае, с нулевой корреляцией, вероятность совпадения двух событий 1% обеспеченности, очевидно, равна 0.01%.

В реальных задачах снижение корреляции в пространстве происходит постепенно. Назовём «нелокальной» обеспеченностью вероятностную характеристику гидрологического процесса, распределённого в пространстве. Практически процесс всегда дан как совокупность синхронных рядов наблюдений, т.е. как дискретный многомерный поток событий, поэтому термины «нелокальная» и многомерная обеспеченность употребляются далее как синонимы, в противоположность одномерной («локальной») обеспеченности. Введём термин зона заданной обеспеченности ущерба для обозначения совокупности территорий и объектов, которые затапливается совместно с заданной вероятностью и обеспечивает ущерб той же вероятности. Такая зона не обладает свойством аддитивности в пространстве, т.е. не равна совокупности локальных зон затопления участков, и не суммируется при объединении крупных территорий (бассейнов, административных единиц).

Рассмотрим построение функции распределения вероятности совокупного ущерба от наводнений для бассейна, в разных частях которого развитие паводков происходит по-разному. Для этого представим бассейн в виде совокупности морфологически-однородных участков речных долин, для которых имеются кривые обеспеченности максимальных уровней, зависимости величины ущерба от уровня затопления и корреляционную матрица рядов максимальных уровней. Предельно упрощая, ограничим анализ случаем двух участков, максимальные

х

(16)

годовые уровни на которых представляют собой нормально распределенные случайные процессы, обозначаемые XI и Х2. В любом конкретном году происходит событие, отвечающее точке О на координатной плоскости {Х1.Х2} (рис. 10а). Плотность вероятности здесь откладывается по третьей координате. Нижний левый квадрант, задаваемый точкой О, соответствует вероятности одновременного непревышения обоих уровней, т.е. обобщению формулы (16)

F(X\,X2) = Р(х, <Х\,х2 <Х2)= J J/(jt,^Jdxjx,.

(П)

Противоположное событие состоит в превышении хотя бы одного из уровней, его вероятность \FXlX2) отвечает трём остальным квадрантам. Однако при построении зоны заданной обеспеченности ущерба нас интересует вероятность одновременного превышения уровней XI и Х2, и его вероятность соответствует только верхнему правому квадранту. При построении зоны затопления обычным способом уровни XI и Х2 имеют одинаковую обеспеченность (например 1%-ю). Тогда линии 0X1 и ОХ2 каждая делят координатную плоскость на две полуплоскости, интегральные вероятности по которым равны 99 и 1%. При рассмотрении сочетания событий ясно, что интеграл вероятности по нижнему левому квадранту будет меньше, чем 99%, а по верхнему правому - меньше, чем 1%, в зависимости от коэффициента корреляции.

Рис. 10. Траектории заданной многомерной обеспеченности: а- 1%-я, вычисленная через условные вероятности при r=0.75; б - вычисленные с помощью Maple 6, 1%-я при r=0 и 0.9 (1), 5%-я при r=0 и 0.9 (2), 10%-я при r=0 и 0.9 (3).

Если же нас интересует вероятность одновременного превышения уровней по двум участкам, равная 1%, то этому соответствует некоторая точка 01, для которой правый верхний квадрант соответствует интегральной вероятности 1%. Геометрическое место точек, удовлетворящих данному условию, образует траек-

торию на координатной плоскости, которая должна асимптотически приближаться к линиям 0X1 и ОХ2 1%-й обеспеченности.

Определение многомерной вероятности (типа уравнения (17)) на основе условных вероятностей, как рекомендуется всеми руководствами по гидрологии, в рассматриваемом случае не удовлетворительно. Получаемая траектория (пример на рис. 10а), не симметрична относительно биссектрисы первого координатного угла, что должно быть по условию полного «равноправия» рассматриваемых участков. Правильное решение получается прямым численным интегрированием плотности вероятности по площади правого верхнего квадранта около любой точки координатного поля {XI,Х2). Запись интеграла, с учетом принятых допущений (нулевые средние и единичные дисперсии XI и XI), выглядит следующим образом

На рис. 106 представлено решение этого уравнения, полученного с помощью пакета программного обеспечения Maple 6, для двух значений коэффициента корреляции (r=0.0 и 0.9) и для трёх уровней многомерной обеспеченности (const=0.0\, 0.05 и 0.1).

Несмотря на элементарность рассматриваемой системы, полученное решение демонстрирует основные качественные свойства многомерной обеспеченности. Фиксированному её уровню соответствует траектория, которая в двумерном случае является линией типа гиперболы, вписанной в левый нижний квадрант координатной плоскости, образованный прямыми линиями заданной одномерной обеспеченности. Ветви траектории всегда асимптотически приближаются к этим прямым. Кривизна изгиба зависит от коэффициента корреляции - при r=0 траектория напоминает дугу окружности, при увеличении г она «стягивается» к вершине угла, имея всё более крутой изгиб. В трехмерном случае траектория будет поверхностью и т.д., обобщение на случай с произвольным числом измерений принципиально ясно, хотя технически может представлять серьёзную проблему. В таблице 9 представлены соотношения обеспечен-ностей максимальных уровней в двух створах, при заданной обеспеченности их сочетания в 1%.

Продолжим анализ, введя локальные функции ущербов по участкам и рассматривая возможности оценивания бассейнового ущерба 1%-й обеспеченности. Выразим «однородность» освоения поймы через прямую пропорциональность локальных функций ущербов на всех участках, а «оптимальный» характер освоения - через отсутствие ущерба до максимального уровня 50%-й обеспеченности. При превышении этого уровня ущерб подчиняется степенной зависимости от уровня

где Ба- - величины ущербов на /-том и .¡-том участках в зависимости от обеспеченности Р максимального уровня на каждом участке, ка - постоянный коэффи-

- Jri(0.5))", Р < 0.5'

(19)

циент. Наиболее «весомый» по величине ущерба участок обозначим номером 1, тогда все кп меньше единицы. При анализе примем п равным 3 и 1/3. Первое значение отвечает затоплению урбанизированной территории, где ущербы растут быстро и почти неограниченно по мере увеличения площади, глубины, продолжительности затопления, динамического воздействия потока. Второе соответствует сельскохозяйственному освоению поймы, представленному множеством изолированных однотипных объектов, при ограниченной величине ущерба по каждому.

Таблица 9

Сочетания одномерных обеспеченностей максимальных уровней на двух участках при многомерной обеспеченности наводнения в бассейне 1%

Приг=0 При г =0.75 При г =0.9

Р(Х1) Р(Х2) Р(Х1) Р(Х2) Р(Х1) Р(Х2)

1.001% 99.9% 1.001% 56% 1.001% 18.3%

1.01% 99.0% 1.004% 50% 1.012% 10%

1.10% 90.9% 1.02% 30% 1.033% 7.0%

1.50% 66.7% 1.05% 20% 1.08% 5.0%

2.0% 50.0% 1.20% 10% 1.24% 3.0%

3.0% 33.3% 1.36% 7.0% 1.55% 2.0%

5.0% 20.0% 1.60% 5.0% 2.0% 1.55%

10.0% 10.0% 2.0% 3.5% 3.0% 1.24%

20.0% 5.0% 3.0% 2.3% 5.0% 1.08%

33.3% 3.0% 5.0% 1.60% 7.0% 1.03%

50.0% 2.0% 7.0% 1.36% 10% 1.01%

66.7% 1.50% 10% 1.20% 18.3% 1.001%

90.9% 1.10% 20% 1.05%

99.0% 1.01% 30% 1.02%

99.9% 1.001% 56% 1.001%

Поскольку заданному уровню многомерной обеспеченности отвечают различные сочетания максимальных уровней на участках, задача сводится к нахождению максимума функции суммарных ущербов по траектории сложных событий. Оценочные расчёты суммарного бассейнового ущерба 1%-й обеспеченности при разных г, пи к12 показывают, что функция суммарного ущерба по траектории может иметь выпуклую форму с максимумом в средней части, вогнутую - с минимумом в средней части, и плоскую — без выраженного экстремума (рис. 11). Это зависит, во-первых, от близости коэффициента к12 к единице, поскольку если два участка сильно отличаются по экономическому «весу», то суммарная закономерность практически определяется более «весомым» участком.

Форма кривой определяется соотношением параметров г и п, причём увеличение п формирует вогнутую кривую, а увеличение г - выпуклую. На рисунке Ив видно, что при п-3 и г=0 функция суммарного ущерба имеет минимум в середине, а максимум расположен в крайнем левом положении, т.е. при Р1 «1%. Величина максимального суммарного ущерба при этом почти не отличается от Б 1(0.01). При увеличении корреляции до 0.75 кривая становится слабовыпуклой, а при г=0.9 — сильно выпуклой, причём максимальный суммарный ущерб значительно

больше Ш(1.01). Рднако, увеличивая параметр п до 5 при г=0.75 и до 9 при г=0.9, также увидим замену в средней части функции максимума на минимум. При значении п=1/3 получаем пологую функцию суммарного ущерба, с очень слабо обозначенным максимумом в средней части. Величина суммарного ущерба заданной обеспеченности при этом близка к сумме ущербов той же обеспеченности по участкам.

Рис. 11. Функции суммарного ущерба по траектории сочетаний событий 1% обеспеченности: а,б-при г=0.9 и п=(3,1/3); в,г-при г=0.0 и п=(3,1/3). На кавдом графике сверху вниз ^2= 0-8,0.5, 0.2 .

Таким образом, при определённых (крайних) условиях могут быть реализованы две схемы оценки суммарного бассейнового ущерба заданной обеспеченности. При высокоинтенсивном, но фрагментарном освоении поймы, характерном для территорий пионерного освоения, бассейновый ущерб практически определяется ущербом заданной обеспеченности на одном из участков. При сплошном, но экстенсивном освоении, как в исторически заселённых сельскохозяйственных районах, бассейновый ущерб близок к сумме ущербов заданной обеспеченности по участкам. Однако, при увеличении анализируемой территории и разнообразии возможных сценариев любой теоретический анализ становится немыслимым, а возможности типизации - очень ограниченными.

Поэтому реальным путём оценивания вероятных ущербов от наводнений для больших территорий (бассейнов, административных единиц) представляется построение пространственно-распределённых стохастических моделей для решения этой задачи методом Монте-Карло.

Расчёты суммарного ущерба могут производиться на основе нормативных характеристик объектов, определяющие ущерб в долях от их стоимости в зависимости от ТРП участка речной долины, зоны риска и категории паводка. При наличии таких характеристик, задача расчёта вероятных ущербов на уровне района, области, бассейна, сводится к моделированию многомерного потока экстремальных гидрологических событий (максимальных расходов, уровней), отражающего наиболее существенные черты природных процессов (асимметричность, пространственно-временную скоррелированность). Получив путём моделирования длительные ряды реализаций выбранных ансамблей гидрологических характеристик и "привязывая" к каждому пункту наблюдений реальный комплекс хозяйственных объектов со своими характеристиками, получим возможность строить функции распределения вероятности суммарного ущерба на любой территории.

Задача моделирования многомерного потока скоррелированных гидрологических событий решается на основании рекомендаций Н.А.Картвелишвили (1980) и Ю.Б.Виноградова (1988). Сначала каждый из исходных асимметричных скоррелированных гидрологических рядов преобразуется в нормально распределённый ряд применением оптимального функционального преобразования. Затем совокупность нормализованных скоррелированных рядов, путём замены системы координат, преобразуется в систему независимых нормально распределённых случайных величин. На основе этого возможно решение двух задач: применяя датчик независимых нормально распределённых случайных чисел, обратными преобразованиями получить моделированные ряды исходных гидрологических характеристик любой продолжительности; прямым преобразованием вектора данных за любой отдельный год получить оценку обеспеченности наводнения в этом году как произведение вероятностей реализаций независимых случайных чисел.

Программная реализация модели выполняет следующие функции: поддержка и анализ архива исходных данных - рядов гидрологических экстремумов; подбор аналитических функционально-нормальных распределений к эмпирическим кривым обеспеченности на основе критериев сходимости; преобразование исходных рядов в нормально-распределённые совокупности, вычисление матриц ковариации и парной корреляции, определения вектора преобразования к независимым случайным величинам; определение статистических параметров и моделирование совокупности рядов независимых нормально-распределённых случайных величин требуемой продолжительности с помощью датчика случайных чисел; выполнение обратных преобразований, придающих моделированным рядам свойства скоррелированности и асимметричности; запись моделированных рядов в текстовый файл на диске.

Испытания модели производились на основе информации по бассейну р.Раздольной в Приморском крае. Были выбраны 7 рядов наблюдений, шесть из

которых представляют максимальные годовые расходы средних (две) и малых (четыре) рек, один ряд составлен из максимальных годовых уровней воды реки Раздольной у г.Уссурийска. На первом этапе были проведены вычислительные эксперименты для оценки распределений статистических параметров выборок относительно параметров генеральной совокупности и определения "бассейновых" обеспеченностей наводнений в отдельные годы на р. Раздольной по следующей схеме.

При моделировании использовались как полный ансамбль из семи рядов, так и меньшие - из трёх и четырех рядов. Моделировались ансамбли рядов длиной 16 тысяч лет, которые разбивались на выборки длиной по 40 и 80 лет. На основании расчёта выборочных статистических параметров оценивалась их смещённость и случайное рассеивание при многомерном моделировании. На основании модельных рядов вычислялись обеспеченности наводнений по всем 70-ти годам периода наблюдений, как вероятности одновременного превышения расходов (уровней) на всех постах, задействованных в анализе. Как и ожидалось, обычная кривая обеспеченности максимального расхода в замыкающем створе является верхней огибающей оценок многомерной обеспеченности. Различия между оценками иногда невелики, а иногда составляют 2-8 раз (выраженные через период повторяемости паводка). Большие различия бывают при паводках малой обеспеченности на малых реках, которые не вызывают высокого паводка в замыкающем створе бассейна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты исследований представляют собой группу методических разработок, различных по поставленным задачам, уровню инновации и степени завершённости. Некоторые из них доведены до внедрения или до готовности к внедрению, другие находятся на стадии апробации или принципиального обоснования подхода. В работе с различной степенью полноты использованы данные почти 400 гидрологических постов на реках южной части Дальнего Востока и Восточной Сибири, для целей сопоставления привлекались гидрометеорологические данные по территории КНР, США и Европы.

Модель паводочного цикла, имитирующая нелинейную динамику составляющих влагозапаса малого речного бассейна вблизи состояния полной влагоёмкости, предлагается в качестве единой методической основы решения многих задач инженерной гидрологии для рек с преобладанием дождевых паводков в режиме. Главной особенностью модели является описание качественно различных режимов стокообразования, переходы между которыми обусловлены степенью увлажнённостью бассейна и фиксируются особыми величинами расхода в замыкающем створе. Эти переходы представляют основное содержание экстремальной динамики системы и приводят к ряду эффектов, указывающих на её сильную нелинейность. В частности, модель демонстрирует эффект контррегулирования - превышение максимальной интенсивности стока за паводок над максимальной интенсивностью паводкообразующих осадков.

Для модели разработана автоматизированная методика оценки динамических и емкостных параметров по стандарным данным наблюдений, установлены индикационные зависимости параметров от геоморфологических, гидрографических и ландшафтных характеристик бассейнов. Оценки параметров выполнены с использованием специально созданного архива гидрометеорологических данных на технических носителях для более чем 100 малых бассейнов юга Дальневосточного региона России.

Модель паводочного цикла позволяет получать краткосрочные прогнозы стока по осадкам: для малых рек (площадь бассейна до 2000 км2) заблаговременностью до 3 суток удовлетворительного и хорошего качества; для средних рек (10 000-100 000 км2) заблаговременность до 4-6 суток хорошего качества. На её основе разработана также методика построения кривых обеспеченности максимальных расходов для малых рек по схеме динамико-стохастического моделирования, разработаны подходы и накоплен опыт анализа влияния различных видов хозяйственной деятельности (водохранилищ, рубок леса и лесных пожаров) на режим дождевых паводков. Модель перспективна для инженерных расчётов не только максимального, но и сезонного стока рек с паводочным режимом. В различных вариантах испытаний модели использованы данные 23 малых и средних рек на территории Приморья и Нижнего Приамурья.

Комплексная оценка риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями в долинах рек, основана на учёте взаимосвязи процессов затопления поймы и русловых деформаций. Для пространственного анализа и картографирования риска на юге Дальнего Востока используется региональная классификация типов русловых процессов, которые являются эффективным индикатором сочетания факторов риска в пределах морфологически-однородных участков речных долин. В пределах отдельных участков выполняется зонирование по степени риска, основанное на системе качественных и количественных критериев. На этой основе создана серия карт риска различных территорий Приморского края в масштабах от 1:2000 до 1:1 000 000, отражающих как географические закономерности, так и инженерные характеристики риска, связанного с наводнениями. На основе применения той же методологии разработаны подходы к прогнозу антропогенной динамики русловых процессов и оценке эффективности страхования от наводнений.

Для развития методов вероятностного моделирования пространственно-распределённых гидрологических систем рассмотрено обобщение понятия обеспеченности на многомерный случай и проанализированы методы расчета многомерной обеспеченности в зависимости от инженерной задачи. На упрощённой модели исследована задача оценки вероятного ущерба от наводнений для обширной территории, сформулированы некоторые возможные сценарии оценок. Из-за большой сложности этой задачи и принципиального недостатка эмпирических данных, в общем случае она может решаться только методом статистических испытаний (Монте-Карло), для чего необходима модель многомерного потока скоррелированных гидрологических событий. Один из вариантов такой модели разработан и испытан с использованием реальных

данных семи гидрометрических постов в бассейне р.Раздольной. Развиваемый подход в принципе применим и к другим многомерным задачам гидрологии, таким как управление сложными водохозяйственными системами и моделирование рядов стока с учетом его внутригодового распределения.

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов теоретического и общеметодологического характера:

• Речные наводнения представляют собой специфический сложный феномен, при рассмотрении которого социально-экономический аспект не менее важен, чем природный. Исследование наводнений требует разработки новых моделей, с одной стороны, учитывающих наиболее важные свойства экстремальных гидрологических процессов, с другой — обеспечивающих решение междисциплинарных задач.

• Сильная нелинейность и дискретность являются неотъемлемыми и важнейшими свойствами формирования экстремальных гидрологических процессов. Их учёт, в виде представления о различных режимах формирования стока и критических переходах между ними, наборах руслоформирующих расходов воды и т.п., позволяет строить модели большой эффективности, при относительно простой структуре, в условиях недостатка эмпирических данных.

• Исследование пространственной структуры событий, происходящих при формировании наводнений в произвольно выбранных границах и привязанных к конкретным экономическим субъектам, является необходимым в силу изменений государственного и экономического устройства страны, и требует развития не только математического, но и понятийного аппарата гидрологии.

Полученные результаты позволяют не только более эффективно решать традиционные прикладные задачи инженерной гидрологии, но и ставить (и решать) существенно новые, появляющиеся преимущественно вследствие возникновения новых отношений в различных сферах деятельности, связанных с водными ресурсами. Теоретические и методические результаты работы составляют базу развития исследований по целому ряду перспективных направлений, таких как нелинейное детерминированное и многомерное стохастическое моделирование в гидрологии, географический и структурный анализ речных систем в аспекте их экстремальной динамики.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в реферируемых журналах:

1. Гарцман Б.И. О некоторых подходах к системному моделированию речного стока//География и природ, ресурсы. -1990. - № 3. - С. 136-142.

2. Гарцман Б.И., Шамов В.В. Системные исследования водного баланса малых речных водосборов // География и природ, ресурсы. - 1991. - № 4. - С. 11-20.

3. Гарцман Б.И., Шамов В.В., Третьяков А.С. Система воднобалансовых моделей малого речного бассейна // География и природ, ресурсы. - 1993. - № 3. - С. 27-36.

4. Гарцман Б.И., Степанова М.В. Особенности гидрологических расчётов максимального стока на Дальнем Востоке // География и природ, ресурсы. - 1996. -№4.-С. 103-110.

5. Гарцман Б.И., Карасев М.С., Степаненко Л.А. Картографирование риска затопления и развития водно-эрозионных процессов в долинах рек горных стран зоны муссонного климата: методические и прикладные аспекты // Вод. ресурсы. -2000.-№1.-С. 13-20.

6. Карасев М.С., Гарцман Б.И., Тащи СМ. Пространственно-временные закономерности руслового морфогенеза горных стран муссонной зоны // География и природ, ресурсы. - 2000. - № 1. - С. 106-116.

7. Гарцман Б.И. Феномен контррегулирования стока в модели паводочного цикла малого речного бассейна // География и природ, ресурсы. - 2001. - № 2. - С. 142-149.

8. Гарцман Б.И., Карасев М.С. О принципах регионального анализа русловых процессов малых и средних рек и их антропогенной динамики // Геоморфология. -2002,-№2.-С. 10-16.

Монографии, разделы коллективных монографий, статьи, доклады, тезисы:

1. Гарцман Б.И., Шатковская Е.В., Новороцкий П.В. Верхнеуссурийский стационар: материалы к характеристике микроклимата в широколиственно-хвойных лесах. - Владивосток: БПИ ДВО АН СССР, 1990. - 45 с. - (Препринт / АН СССР. Дальневост. отд-ние. Биол. -почв. ин-т).

2. Лобанов С.А., Холоден Е.Э., Гарцман Б.И., Ситникова Н.В., Степанова М.В. Роль границы и высоты снежного покрова в формировании зон термических контрастов на подстилающей поверхности суши юга Дальнего Востока / Материалы науч. конф. по проблемам вод. ресурсов Дальневосточ. эконом, р-на и Забайкалья. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 279-283.

3. Лобанов С.А., Гарцман Б.И., Ефименко А.А. Метод долгосрочного прогноза максимальных расходов воды весеннего половодья рек Приморского края / Материалы науч. конф. по проблемам вод. ресурсов Дальневосточ. эконом, р-на и Забайкалья. - СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 519-525.

4. Гарцман Б.И., Яковлева Л.М., Рынков B.C., Чудаева B.C., Берсенев Ю.И. Водохозяйственный комплекс / Долговременная программа охраны природы и рационального использования природных ресурсов Приморского края до 2005 года. (Экологическая программа). - Владивосток: Дальнаука, 1992. - Ч. 1., разд. 3. -С. 68-142.

5. Карасев М.С, Гарцман Б.И. Картирование и прогноз риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями в долинах рек Приморского края / Водохозяйственные проблемы русловедения. - М., 1995. - С 99-104. - (Тр. Академ, водохозяйств. наук; вып. 1).

6. Карасёв М.С., Гарцман Б.И. Оценка и картирование риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями в долинах рек Приморья / Интеркарто 2: ГИС для изучения и картографирования окружающей среды: Материалы Междунар. конф. - Иркутск, 1996. - С. 99-101.

7. Карасёв М.С., Гарцман Б.И. Опыт комплексной оценки и картирования риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями в долинах дальневосточных рек / Социальные, техногенные и природные факторы риска в производственной деятельности. - Иркутск: СЭИ СО РАН, 1996. - С. 44-49.

8. Карасёв М.С., Гарцман Б.И. Парагенетические сочетания типов речного русла как индикатор характера влагооборота на водосборе (на примере Сихотэ-Алиня) / Гидрология и геоморфология речных систем: Материалы и тез. науч. конф. - Иркутск, 1997. - С. 152-154.

9. Koritnyi L.M., Gartsman B.I. To model the cycle of summer-autimm flooding on small river basins of south of Easten Siberia and Far East / Intern, conf. on Regionalization in Hydrology: Extended Abstrs. - Braunschweig, 1997. - P. 129-131

10. Карасёв M.C., Гарцман Б.И. Морфология русел как индикатор гидрологического режима речных долин / Гидрология и русловые процессы. - М., 1998. - С. 183-196. - (Тр. Академ, водохозяйств. наук; вып. 5).

11. Гарцман Б.И., Карасёв М.С., Солопов Н.В. Предотвращение и компенсация ущербов от наводнений на основе концепции гидрометеорологического риска / Экологическое страхование: региональные особенности и мировой опыт. -Иркутск, 1998.-С. 28-36.

12. Gartsman B.I., Stepanova M.V. The using of flood cycle model for river runoff calculation and forecasting in monsoon regions / Hydrology, Water Resources and Ecology of Mountain Areas: Intern, conf. Headwater1 98: Poster vol. - Bozen/ Bolzano, 1998.-P. 92-94.

13. Gartsman B.I., Karasyov M.S. The flood problem in the aspect of hydrometeorological risk analysis / Stochastic models of hydrological processes and their applications to problems of environmental preservation. - Moscow, 1998. - P. 368-371.

14. Gartsman, B. I. Flooding in monsoon rivers: complex hydrometeorological risk analysis / B. I. Gartsman, M. S. Karasyov // Hydrological Extremes: Understanding, Predicting, Mitigating: IAHS Publ. no 255. - S.I. - 1999. - P. 307-310.

15. Gartsman B.I., Karasyov M.S. Rain floods in river valleys: risk control, protection and insurance / Natural Disaster Management.- Leicester: Tudor Rose, 1999. - P. 114116.

16. Гарцман Б.И. Контррегулирование стока при формировании экстремальных паводков // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия: Материалы Всерос. конф. - Томск, 2000. - С. 238-243.

17. Gartsman B.I., Karasyov M.S. Short-time flood forecast methodology using a hydro-meteorological risk concept for flood plains / Early Warning Systems for Natural Disaster Reduction. - Berlin; Heidelberg; New York: Springer-Verlag, 2001. - P. 251255.

18. Карасев М.С., Гарцман Б.И. Прогноз антропогенной динамики русловых процессов малых и средних рек Приморского края в условиях хозяйственного освоения их долин: Проект метод, пособия - Владивосток: Дальнаука, 2002. - 47 с.

19. Гарцман Б.И., Бугаец А.Н. Применение модели паводочного цикла малого речного бассейна в расчетах максимального стока / Гидрометеорология и экология Дальнего Востока: Темат. вып. ДВНИГМИ. - Владивосток: Дальнаука, 2003.-№4.-С. 76-93.

20. Губарева Т.С., Гарцман Б.И. Генезис максимального стока на реках юга Дальнего Востока и расчёт максимальных расходов дождевых паводков / Гидрометеорология и экология Дальнего Востока: Темат. вып. ДВНИГМИ. -Владивосток: Дальнаука, 2003. - № 4. - С. 94-110.

21. Гарцман Б.И., Макагонова М.А. Применение модели паводочного цикла малого речного бассейна (ПЦ-модели МРБ) в задачах гидрологических прогнозов / Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование: Тр. Междунар. науч. конф. - М., 2003. - С. 67-72.

22. Шамов В.В., Гарцман Б.И. Анализ дождевых паводков в Приамурье в связи с рубками и пожарами с помощью модели паводочного цикла малого речного бассейна / Экстремальные гидрологические события: теория, моделирование и прогнозирование: Труды Междунар. науч. конф. ( Москва, 3-6 нояб. 2003). - М., 2003.-С.93-97.

23. Гарцман Б.И. Альтернативные схемы инженерно-гидрологических расчетов при оценке максимальных расходов воды / Анализ и стохастическое моделирование экстремального стока на реках Евразии в условиях изменения климата: Материалы междунар. науч. семинара (Иркутск, 16-23 июня 2003 г.).-Иркутск; Дельфт: Изд-во Ин-та географии СО РАН, 2004. - С. 87-97.

24. Гарцман Б.И., Макагонова М.А., Бугаец А.Н. Модель паводочного цикла малого речного бассейна в расчетах и прогнозах наводнений / Тез. докл. VI Всерос. гидрологич. съезда (28 сент. - 1 окт. 2004 г., СПб). Секция 2. Наводнения и другие опасные гидрологические явления: оценка, прогноз и смягчение негативных последствий. - СПб: Гидрометеоиздат, 2004. - С. 77-78.

25. Гарцман Б.И. «Нелокальная» обеспеченность как характеристика событий в пространственно-распределенных гидрологических системах / Тез. докл. VI Всерос. гидрологич. съезда (28сент. - 1 окт. 2004 г., СПб). Секция 2. Наводнения и другие опасные гидрологические явления: оценка, прогноз и смягчение негативных последствий. — СПб: Гидрометеоиздат, 2004. - С. 18-20.

26. Luxemburg, W.M., Gartsman B.I. The potential ofthe mixed distribution theory to runoff maxima in North Eurasia / Analysis and stochastic modeling of extreme runoff in Euroasian rivers under conditions of climate changes: Proc. of Intern, scientific seminar (Irkutsk, 16-23 June 2003 y.). - Irkutsk; Delft: Int. of Geography SB RAS, 2004. - P. 82-87.

Борис Ильич ГАРЦМАН

ДОЖДЕВЫЕ НАВОДНЕНИЯ НА РЕКАХ ЮГА ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА: МЕТОДЫ РАСЧЁТОВ, ПРОГНОЗОВ, ОЦЕНОК РИСКА

Автореферат

Изд. лиц. ИД № 05497 от 01.08.2001 г. Подписано к печати 11.04.2005 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл. п. л. 2.44. Уч.-изд. л. 2,0. Тираж 150 экз. Заказ 78

Отпечатано в типографии ФГУП Издательство «Дальнаука» ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Радио, 7

\i 13 Mb,IЙ05

Содержание диссертации, доктора географических наук, Гарцман, Борис Ильич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ДОЖДЕВЫЕ НАВОДНЕНИЯ И УСЛОВИЯ ИХ ФОРМИРОВАНИЯ НА ДАЛЬНЕМ ВОСТОКЕ РОССИИ.

1.1. Понятие наводнения и проблема наводнений.

1.1.1. Наводнения.

1.1.2. Паводки и половодья как причины наводнений.

1.1.3. Ущербы от наводнений, их регулирование и компенсация.

1.1.4. Административные и технические средства защиты от наводнений.

1.2. Физико-географические условия и гидрологический режим территории.

1.2.1. Географическое положение.

1.2.2. Рельеф и геологическое строение.

1.2.3. Атмосферная циркуляция и климат.

1.2.4. Ландшафтная характеристика.

1.2.5. Общая характеристика гидрологического режима.

1.3. Опыт ладшафтно-гидрологического районирования.

1.3.1. Климатологический аспект - концепция географической зональности

1.3.2. Ландшафтный аспект - топологическй уровень районирования.

1.3.3. Структурный аспект - региональный уровень районирования.

1.4. Формирование и интенсивность максимального стока.

1.4.1. Географические закономерности генезиса максимального стока.

1.4.2. Пространственное распределение расчётных дождевых максимумов.

1.5. Выводы.

ГЛАВА 2. МОДЕЛЬ ПАВОДОЧНОГО ЦИКЛА МАЛОГО РЕЧНОГО БАССЕЙНА

2.1. Проблемы моделирования стока малых рек с дождевым питанием.

2.1.1. Постановка задачи.

2.1.2. Специфика метода водного баланса при исследованиях стокоформирования.

2.1.3. Объект исследования - малый речной бассейн.

2.1.4. Иерархия моделей водного баланса в рамках малого речного бассейна.

2.2. Структура и параметры паводочного цикла малого речного бассейна.

2.2.1. Концепция паводочного цикла.

2.2.2. Оценка динамических параметров паводочного цикла.

2.2.3. Оценка ёмкостных параметров и анализ динамики водного баланса.

2.3. Региональная адаптация модели на Дальнем Востоке.

2.3.1. Общая характеристика параметров модели для рек региона.

2.3.2. Физико-географические закономерности параметров модели и паводков поверхостного генезиса.

2.4. Теория модели.

2.5. Контррегулирование стока при экстремальных режимах стокоформирования.

2.6. Выводы.

ГЛАВА 3. РАСЧЁТЫ И ПРОГНОЗЫ ДОЖДЕВОГО ПАВОДОЧНОГО СТОКА

НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ПАВОДОЧНОГО ЦИКЛА.

3.1. Краткосрочные прогнозы стока рек.

3.1.1. Испытания методик прогноза для малых рек.

3.1.2. Общая схема прогноза в замыкающем створе крупного бассейна.

3.1.3. Испытания «полного» алгоритма метода прогноза.

3.1.4. Испытания «неполного» алгоритма метода погноза.

3.2. Расчёты максимальных расходов малых рек методом Монте-Карло.

3.2.1. Объекты и методика численного эксперимента.

3.2.2. Результаты верификации модели.

3.2.3. Оценка максимальных расходов 1%-й обеспеченности.

3.3. Анализ антропогенных воздействий на режим максимального стока.

3.3.1. Оценка влияния малого водохранилища на максимальные расходы.

3.3.2. Анализ дождевых паводков в связи с рубками и пожарами.

3.4. Выводы.

ГЛАВА 4. КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА И РЕГИОНАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ВОДНО-ЭРОЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ НАВОДНЕНИЯХ В ДОЛИНАХ РЕК

4.1. Принципы комплексной оценки риска, связанного с наводнениями.

4.2. Региональный анализ руслоформирующей деятельности рек.

4.2.1. Понятие руслофомирующего расхода воды.

4.2.2. Связь ()фор и форм руслового и пойменного рельефа в Приморье.

4.2.3. Региональная типизация русловых процессов.

4.3. Картографирование риска.

4.3.1. Районирование территории по степени риска.

4.3.2. Характеристика факторов риска.

4.3.3. Содержание и использование карт риска.

4.3.4. Оценка точности и надежности методики.

4.4. Опыт решения прикладных задач на основе концепции гидрометеорологического риска.

4.4.1. Оценка и прогноз антропогенной динамики русловых процесссов при хозяйственном освоении речных долин.

4.4.2. Оценка эффективности страхования от наводнений с учётом пространственного фактора.

4.5. Выводы.

ГЛАВА 5. ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛИЗ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ НАВОДНЕНИЙ.

5.1. Нелокальная обеспеченность как характеристика пространственно-распределённых гидрологических систем.

5.1.1. Общие положения.

5.1.2. Постановка задачи.

5.1.3. Элементы теории многомерной обеспеченности.

5.1.4. Принципы оценки вероятных ущербов по совокупности участков.

5.2. Стохастическая модель многомерного потока скоррелированных гидрологических событий.

5.2.1. Теоретические основы и программная реализация модели.

5.2.2. Анализ характеристик моделированных рядов.

5.3. Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Дождевые наводнения на реках юга Дальнего Востока: методы расчетов, прогнозов, оценок риска"

Катастрофические наводнения на реках - возможно, наиболее значимое из опасных природных явлений. Это обусловлено не только размерами причиняемого ими ущерба, но и ожидаемым ростом частоты и интенсивности гидрологических экстремумов при будущих изменениях климата. За последнее десятилетие (начиная с 1993 г) в мире зафиксировано не менее 7 наводнений, разовый ущерб от которых превышал 10 миллиардов долларов - в США, Европе, Китае и Корее. Последнее из них произошло в Европе в 2002, когда опубликованные ущербы составили около 15 миллиардов евро в Германии и около 4 миллиардов евро в Австрии. Такие большие суммы ущербов казались раньше совершенно невероятными. Масштаб подобных катастроф в России в целом значительно меньше, однако и здесь последнее десятилетие отмечено серией исторических наводнений, суммы ущерба от которых достигали величин 5-15 миллиардов рублей (Якутия, Юг России и Северный Кавказ). Сейчас последствия изменений климата представляются более интенсивными и дорогостоящими, чем ожидалось ранее.

На протяжении веков и тысячелетий люди интуитивно оценивали риск наводнений - сопоставляли выгоды от освоения прибрежных территорий с потенциально возможными последствиями их затопления. Если риск был велик, человек или отказывался от использования пойменных земель, или пытался уменьшить опасность путем строительства простейших защитных сооружений. Рано или поздно этих защитных мер оказывалось недостаточно, и перед человеком вновь вставала необходимость выбора. В последние столетия освоение пойм рек приняло такие масштабы, что стало очень сложно создавать упреждающую систему защиты. Положение усугубляется экстенсивным развитием по принципу "максимального эффекта - с минимальными затратами", приведшего во многих случаях к разрушению геоэкосистем водосборов -естественных регуляторов речного стока.

В результате в век технического прогресса наводнения унесли более 9 миллионов человеческих жизней и причинили огромный материальный ущерб, который имеет тенденцию к росту. Обостряющаяся проблема наводнений сыграла немалую роль в решении ООН объявить 90-е годы десятилетием борьбы со стихийными бедствиями. Вопрос, является ли серия катастрофических наводнений в последние годы исключительно неблагоприятным стечением обстоятельств или реальным направленным изменением режима максимального стока, становится жизненно важным для многих регионов мира.

Опасность наводнений, как и любые другие виды опасности в системе "человек-природа-общество", реализуется в чрезвычайную ситуацию по стохастическим законам, что определяет принципиальную возможность общества управлять процессом путем ограничений и ослаблением опасности. Эта возможность может быть реализована лишь в случае, если общество в целом и его субъекты научатся осознано оценивать риск наводнений - количественно сопоставлять выгоды от хозяйственной деятельности на пойменных территориях и водосборах, от осуществления мероприятий по защите от наводнений с возможными их отрицательными последствиями для безопасности природы, человека и общественных институтов.

Устойчивого развития паводкоопасных территорий можно достигнуть путем обеспечения приемлемого для общества уровня опасности наводнений. Одних технических мер для этого недостаточно, поскольку существует принципиальная (экономически обоснованная) возможность защиты от подавляющего большинства, но сравнительно небольших паводков. В то же время на катастрофические наводнения крайне редкой повторяемости приходится значительная доля ущерба. Поэтому в настоящее время при планировании и осуществлении противопаводковых мероприятий на первый план выходят задачи управления, направленные на создание комплексного механизма административного и экономического регулирования использования затапливаемых территорий. Если политика США в вопросах защиты от наводнений уже почти полвека характеризуется тезисом "задача регулирования паводков - регулирование ущерба от них", то в Российской Федерации осознание необходимости изменения стратегии защиты от наводнений происходит только сейчас.

Развитие новых моделей для исследования фазы максимального стока в гидрологическом режиме рек при меняющихся условиях является сейчас настоятельной необходимостью. Эти модели должны быть достаточно простыми и универсальными, чтобы применять их как действительно полезный гидрологический инструментарий в широкой инженерной практике. Независимо от того, достижима ли такая цель вполне в настоящее время, можно рассчитывать на серьёзные результаты, используя новые типы моделей с такими свойствами, как нестационарность, сильная нелинейность, масштабная инвариантность, обусловленность структурой речных систем и т.д. Максимальный сток рек регионов с преобладанием дождевых паводков в режиме отличается особенной неустойчивостью, сложностью и мозаичностью условий формирования, что требует разработки специфических моделей и методов географического анализа. В нестационарных условиях перспективным является применение ланд-шафтно-гидрологического районирования, динамико-стохастических и комплексных стохастических моделей на основе развитых физических гипотез.

Актуальность исследования обусловлена необходимостью выработки целостного подхода к наводнениям как феномену, возникающему во взаимодействии природы и общества, и создания адекватного научного и инженерного инструментария для решения связанных с ними прикладных задач в современных экономических и природных условиях. Целью является создание новых методов для расчётов и прогнозов параметров наводнений, и управления связанным с ними риском, учитывающих специфику экстремальных процессов, их пространственную структуру и комплексный характер воздействия.

Основные задачи работы формулируются следующим образом:

1. Разработать и испытать модель паводочного цикла малого речного бассейна (ПЦ-модель МРБ) в качестве единой методической основы расчётов, краткосрочных и долгосрочных прогнозов, сценарного моделирования максимального стока, эффективной для рек с преобладанием дождевых паводков в режиме.

2. Разработать подход и методы оценки риска, связанного с речными наводнениями, учитывающие комплексный характер и сложную пространственную структуру происходящих процессов, для обоснования защитных мероприятий и контроля их экономических и экологических последствий.

Научная новизна полученных результатов по первой задаче определяется тем, что разрабатывается модель с сильной нелинейностью, демонстрирующая различные режимы функционирования в зависимости от интенсивности стокоформирования (включая структурные изменения). Теория ПЦ-модели строится на пяти простых гипотезах, хорошо обоснованных эмпирически. Уравнения включают в себя 7 основных и 3 вспомогательных параметра, которые являются интегральными характеристиками бассейна и при этом сохраняют ясный физический смысл. Основные параметры ПЦ-модели определяются на основе данных многолетних стандартных наблюдений за осадками и стоком без применения процедур численной оптимизации, причем только 3 из них являются независимыми. Для неизученных бассейнов возможно надёжно оценивать параметры методами ландшафтной и структурной индикации.

К оригинальным теоретическим результатам можно отнести следующие: развитие принципов системного подхода в воднобалансовых исследованиях и определение обобщенной структуры модели приповерхностного влагооборота на суше в виде иерархии специфических циклов; авторское определение малого речного бассейна как стокообразующего объекта; концептуальную разработку модели паводоч-ного цикла и определение ряда её ключевых параметров для большого числа речных бассейнов на Дальнем Востоке; выявление феномена контррегулирования стока в виде закономерности, присущей процессу формирования дождевого стока при определённых условиях; аналитическое описание и физическая интерпретация эффектов сильной нелинейности при формировании экстремальных паводков.

В методическом плане получено следующее: методика статистического анализа выборок максимальных паводочных расходов для определения динамических параметров ПЦ-модели; методика определения емкостных параметров ПЦ-модели способом построения псевдофазовой диаграммы МРБ; методика посуточной увязки 8-членного водного баланса МРБ для анализа динамики его элементов по стандартным данным; установлены тесные зависимости ряда параметров ПЦ-модели от физико-географических и структурно-информационных характеристик бассейнов и устойчивый региональный характер некоторых из них.

Прикладные результаты работы по первой задаче следующие (везде - реализация в виде универсальных программных модулей): создан автоматизированный архив гидрометеорологической информации, включающий данные по 140 гидрологическим и 200 осадкомерным постам на территории юга Дальневосточного региона России (отдельные станции КНР, США и зарубежной Европы); методы краткосрочного прогноза гидрографов дождевых паводков малых (до 2000 км2) и средних (до 100 000 км) рек заблаговременностью 1-6 суток; метод построения кривых распределения вероятности максимальных расходов дождевых паводков по схеме динамико-стохастического моделирования; опробованы методики и выполнены оценки изменения режима максимального стока под влиянием массовых рубок, лесных пожаров и малых водохранилищ.

По второй задаче исследований работа сконцентрирована на разработке достаточно полной и универсальной методологии комплексного оценивания и картографирования риска, связанного с наводнениями в долинах рек горных стран муссонной зоны. При этом внимание уделялось природе, сложному характеру и закономерностям пространственно-временной структуры риска, отражаемых в вероятностных и качественных моделях (классификациях), а также увязке основных действующих факторов наводнения - затопления и водно-эрозионых процессов.

Основные теоретические результаты по данному направлению следующие: концепция гидрометеорологического риска; региональная генетическая классификация и вероятностная модель русловых процессов; обоснование и анализ понятия «нелокальной» (многомерной) обеспеченности, как вероятностной характеристики пространственно-распределённых гидрологических систем.

В методическом аспекте получено следующее: метод комплексной оценки и картографирования риска, связанного с наводнениями; методические основы оценки нарушенности естественного характера русловых процессов за счёт наиболее массовых видов хозяйственной деятельности в долинах рек; модель многомерного потока скоррелированных гидрологических событий для пространственного анализа формирования наводнений.

Прикладные результаты работы по второй задаче следующие: серия карт риска, связанного с наводнениями, в масштабе от 1:2000 до 1:1 ООО ООО; 6 проектов региональных нормативно-методических документов по вопросам оптимизации хозяйственной деятельности в долинах и на водосборах рек, специализированного страхования от наводнений, учету русловых процессов при строительном проектировании и прогнозу их антропогенной динамики при хозяйственном освоении речных долин; опыт анализа антропогенной динамики русловых процессов с использованием картографических материалов различных лет съемки, координатно привязанных в среде ГИС; программный комплекс группового моделирования коррелированных гидрологических рядов; опыт моделирования динамики ущербов от наводнений с учетом его пространственного распределения на основе реальных гидрометеорологических данных и экспертных экономических оценок.

Таким образом, результаты исследований представляют собой группу методических разработок, различных по поставленным задачам, уровню инновации и степени завершённости. Некоторые из них доведены до внедрения или до готовности к внедрению, другие находятся на стадии апробации, есть и такие, которые не развиты далее принципиального обоснования подхода и формулировки упрощённой модели, с анализом условных сценариев. В работе использованы различные методы моделирования - динамического, стохастического и качественного (классификации), - а также общепринятые методики статистического и географического анализа.

Единство представляемого исследования обеспечивается, во-первых, единством предметной области. Все частные задачи исследований, как традиционные, так и вновь формулируемые, относятся к различным аспектам проблемы наводнений. Объектом исследований являются малые и средние реки юга Дальневосточного региона России, в режиме которых преобладает дождевой паводочный сток. С другой стороны, принципиальной позицией автора является ориентация на наиболее массовые, реально доступные массивы исходных данных - это стандартные данные стационарных наблюдений гидрометеорологической сети, а также данные, получаемые с топографических карт крупного и среднего масштаба (1:25 ООО - 1:200 ООО) и с широко доступных специальных карт, характеризующих ландшафты и отдельные их компоненты. Лишь при такой ориентации исследований возможно получить методы, которые могут стать действительно полезным инженерным инструментарием для решения широкого круга прикладных задач.

Другим, не столь очевидным, но не менее важным обстоятельством, обеспечивающим единство работы, является общеметодологические позиции автора, обуславливающие направление, характер и, так сказать, стиль исследования в каждом частном случае. Это единство раскрывается в конкретных материалах каждой главы диссертации и общее его изложение выходит за рамки целей данной работы, поскольку относится уже к области скорее философии науки. Однако в целом - это позиция системного подхода, необходимого в гидрологии, исследующей наиболее сложные и динамичные процессы абиотической составляющей географической оболочки. Учитывая недостаточно чёткое и отчасти дискуссионное содержание этого понятия в науках о Земле, подчеркнём, что нами принимается системная методология, развиваемая определённым направлением гидрологии (географо-, ландшафтно- или геосистемногидрологический подход). Основные методологические положения этого направления, изложенные, например, в (Ландшафтно-гидрологический анализ., 1992), восходят к концепциям В.Г.Глушкова и В.Б.Сочавы и развивались в трудах Г.П.Калинина, А.И.Субботина, Н.И.Коронкевича, И.Н.Гарцмана, Л.М.Корытного, А.Н.Антипова и др., а в русловедении - школой Н.И.Маккавеева и Р.С.Чалова.

По результатам работы на защиту выносится 4 положения:

1. Динамика воднобалансовых соотношений малого, речного бассейна вблизи состояния полной влагоёмкости в тёплый период адекватно описывается точечной нелинейной моделью паводочного цикла. Модель характеризуется хорошим эмпирическим обоснованием постулатов, ясным физическим смыслом и надёжной оценкой параметров, использованием алгоритма переменной структуры, что позволяет предсказывать явления, слабо- или нефиксируемые наблюдениями.

2. Модель паводочного цикла позволяет решать большинство инженерных задач расчётов и прогнозов стока рек с паводочным режимом в условиях меняющегося климата и ландшафтов на единой методической основе, с использованием схемы динамико-стохастического моделирования и стандартных данных гидрометеорологических наблюдений.

3. Комплексная оценка риска, связанного с наводнениями, основана на вероятностном учёте взаимосвязи процессов затопления и русловых (пойменных) деформаций. Высокая эффективность типа русловых процессов в качестве индикатора риска позволяет выполнять его региональный анализ и картографирование, решать прикладные задачи мониторинга и прогноза риска.

4. Вероятностная характеристика событий в пространственно-распределённых гидрологических системах требует обобщения понятия обеспеченности на многомерный случай. Смысловое содержание многомерной обеспеченности зависит от задачи исследования, её оценка в общем случае может быть выполнена методом численного вероятностного эксперимента.

Представляемая диссертация содержит 5 глав, введение и заключение. Она состоит из 301 страницы текста, включает 47 таблиц и 44 рисунка по тексту, 183 ссылки на литературные источники, одно приложение на двух листах. На различных этапах работа выполнялась в рамках плановой, инициативной и хоздоговорной тематики ТИГ ДВО РАН и ДВНИГМИ, а также была поддержана грантами: губер

Заключение Диссертация по теме "Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия", Гарцман, Борис Ильич

5.3. Выводы

Исследование, представленное в данной главе, представляется пока интересным скорее своей постановкой. Изложенные выше результаты имеют, в основном, пробный и предварительный характер и, как очевидно, находятся гораздо ближе к началу, чем к завершению полноценного исследовательского процесса. Однако острая актуальность затрагиваемых проблем, о которой специально говорилось в разделе 5.1., и разнообразные перспективы, связанные с формулировкой новых понятий и подходов к вероятностному анализу пространственных закономерностей гидрологического режима, делают изложение материалов настоящей главы полезным даже в их нынешнем, сравнительно «сыром», состоянии.

Понятие «нелокальной» (многомерной) обеспеченности существенно отличается от обычной одномерной. В частности, при построении зоны затопления заданной обеспеченности, существенным моментом является постановка задачи. Традиционные методы позволяют выделить территорию и совокупность объектов с о • о \ • о \ • о\ • R

G \ • / 0 \ •/ LU -п

1 Г о° О

0 О ft О иоо ОъОэЪчЪшь о оЧзэ ЛЪ^^.

Обеспеченность одинаковым предельным уровнем индивидуального риска, связанного с наводнениями. Однако они непригодны, если нам необходимо выделить зону заданной обеспеченности ущерба от наводнений для обширной территории. В этом случае решением задачи будет траектория сложных событий заданного уровня обеспеченности в многомерном пространстве, задаваемом совокупностью морфологически-однородных участков речных долин. Траектория является линией в двумерном случае, поверхностью - в трёхмерном, и.т.д.

Для оценки ущерба заданной обеспеченности необходимо найти его максимальное значение на этой траектории по индивидуальным функциям ущербов. При этом возникает многообразие сценариев, часть из которых интуитивно очевидна и применяется при решении практических задач. В частности, при высокоинтенсивном, но фрагментарном освоении поймы, что характерно для промышленного строительства в районах пионерного освоения, бассейновый ущерб практически определяется ущербом той же обеспеченности на одном из участков, там, где он максимален. При сплошном, но экстенсивном освоении - ситуация, характерная для исторически заселённых сельскохозяйственных районов, - бассейновый ущерб близок к сумме ущербов той же обеспеченности по участкам.

Однако, при увеличении анализируемой территории, и с учетом огромного разнообразия локальных функций ущербов, любой теоретический анализ становится немыслимым, а возможности различного рода типизаций - очень ограниченными. Поэтому реальным путём оценивания суммарных ущербов от наводнений заданной обеспеченности для больших территорий представляется построение пространственно-распределённых вероятностных моделей для решения этой задачи методом Монте-Карло. Размер ущерба зависит от количества, характера и территориального размещения хозяйственных объектов. Расчёты суммарного ущерба следует выполнять на основе нормативных характеристик различных объектов, в зависимости от типа участка речной долины, зоны риска и категории паводка. При наличии таких характеристик, задача расчёта вероятных ущербов на уровне района, области, бассейна сводится к моделированию многомерного потока экстремальных гидрологических событий, отражающего наиболее существенные черты природных процессов.

Результаты пробных численных экспериментов на модели многомерного потока скоррелированных гидрологических событий позволяет заключить следующее.

1. При моделировании ансамблей длинных рядов в качестве исходных данных следует брать ряды наблюдений с наибольшей устойчивостью и наименьшей асимметричностью кривых распределения, репрезентативные по отношению к окружающей территории и наименее скоррелированные между собой.

2. Статистические параметры моделированных рядов большой продолжительности значительно отличаются от исходных в случае малых водосборов с небольшой регулирующей способностью, но достаточно близки к исходным для водосборов со значительной регулирующей способностью и, как следствие, "лучшими" статистическими свойствами рядов наблюдённых максимумов.

3. Выборочные оценки статистических параметров на модельных рядах сильно смещены отрицательно относительно параметров генеральной совокупности и в среднем близки к параметрам наблюдённых рядов. Распределение выборочных параметров модели имеет большую дисперсию и положительную асимметрию, наименьшую для среднего и наибольшую для эксцесса.

4. Одномерная обеспеченность, оценённая для бассейна на основании данных замыкающего створа обычным способом, является верхней (максимальной) границей для величины многомерной обеспеченности, как рассчитанной теоретически, так и оценённой на основании численного эксперимента методом Монте-Карло. При этом различия в оценках, получаемые для редких паводков, могут составлять (в пересчёте на период повторяемости) до 2-8-ми раз.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Представленные результаты исследований представляют собой группу методических разработок, различных по поставленным задачам, уровню инновации и степени завершённости. Некоторые из них доведены до внедрения или до готовности к внедрению, другие находятся на стадии апробации или принципиального обоснования подхода.

На основании исчерпывающего анализа гидрологических данных по югу Дальнего Востока и Восточной Сибири (использованы данные почти 400 гидрометрических постов) обобщены генетические и статистические закономерности максимального стока при переходе от морского к резко континентальному климату умеренных широт Азиатской России. Разработан и опробован для горных стран муссонной зоны метод гидрологического районирования, основанный на сочетании ландшафтного и структурного принципов.

Модель паводочного цикла, имитирующая нелинейную динамику составляющих влагозапаса малого речного бассейна вблизи состояния полной влагоёмкости, предлагается в качестве единой методической основы решения многих задач инженерной гидрологии для рек с преобладанием дождевых паводков в режиме. Главной особенностью модели является описание качественно различных режимов стокообразования, переходы между которыми обусловлены степенью увлажнённостью бассейна и фиксируются особыми величинами расхода в замыкающем створе. Эти переходы представляют основное содержание экстремальной динамики системы и приводят к ряду эффектов, указывающих на её сильную нелинейность. В частности, модель демонстрирует эффект контррегулирования - превышение максимальной интенсивности стока за паводок над максимальной интенсивностью паводкообразующих осадков.

Для модели разработана автоматизированная методика оценки динамических и емкостных параметров по стандартным данным наблюдений, установлены индикационные зависимости параметров от геоморфологических, гидрографических и ландшафтных характеристик бассейнов. Оценки параметров выполнены с использованием специально созданного архива гидрометеорологических данных на технических носителях для более чем 100 малых бассейнов юга Дальневосточного региона России.

Модель паводочного цикла позволяет получать краткосрочные прогнозы стока по осадкам: для малых рек (площадь бассейна до 2000 км ) заблаговременностью до 3 суток удовлетворительного и хорошего качества; для средних рек (10 000-100 000 км2) заблаговременность до 4-6 суток хорошего качества. На её основе разработана также методика построения кривых обеспеченности максимальных расходов для малых рек с использованием схемы динамико-стохастического моделирования, разработаны подходы и накоплен опыт анализа влияния различных видов хозяйственной деятельности (водохранилищ, рубок леса и лесных пожаров) на режим максимального стока. Модель перспективна для инженерных расчётов не только максимального, но и сезонного стока рек с паводочным режимом. В различных вариантах испытаний модели использованы данные 23 малых и средних рек на территории Приморья и Нижнего Приамурья.

Комплексная оценка риска неблагоприятных и опасных событий, связанных с наводнениями в долинах рек, основана на учёте взаимосвязи процессов затопления поймы и русловых деформаций. Для пространственного анализа и картографирования риска на юге Дальнего Востока используется региональная классификация типов русловых процессов, которые являются эффективным индикатором сочетания факторов риска в пределах морфологически-однородных участков речных долин. В пределах отдельных участков выполняется зонирование по степени риска, основанное на системе качественных и количественных критериев. На этой основе создана серия карт риска различных территорий Приморского края в масштабах от 1:2000 до 1:1 000 000, отражающих как географические закономерности, так и инженерные характеристики риска, связанного с наводнениями. На основе применения той же методологии анализа риска разработаны подходы к прогнозу антропогенной динамики русловых процессов и оценке эффективности страхования от наводнений.

Для развития методов вероятностного моделирования пространственно-распределённых гидрологических систем рассмотрено обобщения понятия обеспеченности на многомерный случай и проанализированы методы расчёта многомерной обеспеченности в зависимости от инженерной задачи (оцениваемой характеристики). На упрощённой модели исследована задача оценки вероятного ущерба от наводнений для обширной территории, сформулированы некоторые возможные сценарии оценок. Из-за большой сложности этой задачи и принципиального недостатка эмпирических данных, в общем случае она может решаться только методом статистических испытаний (Монте-Карло), для чего необходима модель многомерного потока скоррелированнных гидрологических событий. Один из вариантов такой модели разработан и испытан с использованием реальных данных 7-ми гидрометрических постов в бассейне р.Раздольной. Развиваемый подход в принципе применим и к другим многомерным задачам гидрологии, таким как управление сложными водохозяйственными системами и моделирование рядов стока с учётом его внутригодового распределения.

Полученные результаты позволяют сделать ряд выводов теоретического и общеметодологического характера:

• Речные наводнения представляют собой специфический сложный феномен, при рассмотрении которого социально-экономический аспект не менее важен, чем природный. Исследование наводнений требует разработки новых моделей, с одной стороны, учитывающих наиболее важные свойства экстремальных гидрологических процессов, с другой - обеспечивающих решение междисциплинарных задач.

• Сильная нелинейность и дискретность являются неотъемлемыми и важнейшими свойствами формирования экстремальных гидрологических процессов. Их использование, в виде представления о различных режимах формирования стока и критических переходах между ними, наборах руслоформирующих расходов воды и т.п., позволяет строить модели большой эффективности, при их относительно простой структуре и недостаточности эмпирических данных.

• Исследование сложной пространственной структуры событий, происходящих при формировании наводнений в произвольно выбранных границах и привязанных к конкретным экономическим субъектам, является необходимым в силу произошедших изменений государственного и экономического устройства страны. Это требует дальнейшего развития не только математического, но и понятийного аппарата инженерной гидрологии.

Полученные результаты позволяют не только более эффективно решать многие традиционные прикладные задачи инженерной гидрологии, но и ставить (и решать) существенно новые, появляющиеся преимущественно вследствие возникновения новых отношений в различных сферах деятельности, связанных с водными ресурсами. Теоретические и методические результаты работы составляют базу развития исследований по целому ряду перспективных направлений, таких как нелинейное детерминированное и многомерное стохастическое моделирование в гидрологии, географический и структурный анализ речных систем в аспекте их экстремальной динамики.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора географических наук, Гарцман, Борис Ильич, Иркутск

1. Авакян, А. Б. Наводнения. Концепция защиты // Изв. РАН. Сер. геогр. 2000. - № 5. -С. 40-46.

2. Алексеев, Г. А. Расчеты паводочного стока рек СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1955. -196 с.

3. Антипов, А. Н. Ландшафтно-гидрологическая организация территории / Антипов А. Н„ Федоров В. Н. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. - 254 с.

4. Антонцев, С. Н. Системное математическое моделирование процессов водообмена / Антонцев С. Н., Епихов Г. П., Кашеваров А. А. Новосибирск: Наука, 1986. - 215 с.

5. Бисвас, Азит К. Человек и вода. Л: Гидрометеоиздат, 1975. - 327 с.

6. Болгов, М. В. О распределении максимальных расходов воды рек Приморья / М. В. Болгов, В. Ф. Писаренко // Вод. ресурсы. 1999. - № 6. - С. 710-716.

7. Булавко, А. Г. Водный баланс речных водосборов. Основные закономерности, методы расчёта и проблемы преобразования. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 304 с.

8. Бузин В. А. Заторы льда и заторные наводнения на реках. СПб.: Гидрометеоиздат, 2004.-204 с.

9. Великанов, М. А. Русловой процесс (основы теории). М.: Госфизматгиз, 1958. - 395 с.

10. Вернадский, В. И. Размышления натуралиста. М.: Наука, 1975. - 175 с.

11. Вернадский, В. И. Химическое строение атмосферы Земли и её окружения. М.: Наука, 1965.-374 с.

12. Виноградов, Ю. Б. Математическое моделирование процессов формирования стока. -Л.: Гидрометеоиздат, 1988. 311 с.

13. Виссмен, У. Введение в гидрологию / У. Виссмен, Т. Г. Харбаф, Р. У. Кнэпп. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 470 с.

14. Воронков, Н. А. Роль лесов в охране вод. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 286 с.

15. Вулли, Л. Ур халдейский. М: Наука, 1961. - 250 с.

16. Гавриков, С. А. Водные ресурсы малых и средних рек юга Дальнего Востока // Материалы науч. конф. по пробл. вод. ресурсов Дальневост. эконом, р-на и Забайкалья. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 341-352.

17. Гавриков, С. А. О связи внутригодового распределения стока с водностью года // Вопросы повышения эффективности мелиорации земель Дальнего Востока. М.: ВНИИГиМ, 1981. - С. 126-130.

18. Ганешин, Г. С. Геоморфология Приморья // Тр. ВСЕГЕИ. Нов.сер. 1957. - Т. 4. - 135 с.

19. Гарцман, Б. И. Контррегулирование стока при формировании экстремальных паводков // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия: Материалы Всерос. конф. Томск, 2000. - С. 238-243.

20. Гарцман, Б. И. О некоторых подходах к системному моделированию речного стока // География и природ, ресурсы. 1990. - № 3. - С. 136-142.

21. Гарцман, Б. И. Особенности гидрологических расчётов максимального стока на Дальнем Востоке / Б. И. Гарцман, М. В. Степанова // География и природ, ресурсы. 1996.-№4.-С. 103-110.

22. Гарцман, Б. И. Предотвращение и компенсация ущербов от наводнений на основе концепции гидрометеорологического риска / Б. И. Гарцман, М. С. Карасёв, Н. В.

23. Солопов // Экологическое страхование: региональные особенности и мировой опыт. Иркутск, 1998. - С. 28-36.

24. Гарцман, Б. И. Применение модели паводочного цикла малого речного бассейна в расчетах максимального стока / Б. И. Гарцман, А. Н. Бугаец // Гидрометеорология и экология Дальнего Востока: Темат. вып. ДВНИГМИ. Владивосток: Дальнаука, 2003.-№ 4.-С. 76-93.

25. Гарцман, Б. И. Система воднобалансовых моделей малого речного бассейна / Б. И. Гарцман, В. В. Шамов, А. С. Третьяков // География и природ, ресурсы. 1993. -№ 3. - С. 27-36.

26. Гарцман, Б. И. Системные исследования водного баланса малых речных водосборов / Б. И. Гарцман, В. В. Шамов // География и природ, ресурсы. 1991. - № 4. - С. 1120.

27. Гарцман, Б. И. Феномен контррегулирования стока в модели паводочного цикла малого речного бассейна // География и природ, ресурсы. 2001. - № 2. - С. 142149.

28. Гарцман, Б. И. Паводочный цикл малого речного бассейна в Приморье: автореф. дис. . канд. геогр. наук. Иркутск: ИГ СО РАН, 1994. - 22 с.

29. Гарцман, И. Н. Некоторые аспекты системного подхода в гидрометеорологии // Проблемы анализа гидрометеорологических систем. Д.: Гидрометеоиздат, 1976. - С. 3-47. - (Тр. ДВНИГМИ; вып. 54).

30. Гарцман, И. Н. Паводочный сток рек Дальнего Востока / И. Н. Гарцман, В. М. Лыло, В. Г. Черненко. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - 264 с.

31. Гарцман, И. Н. Проблемы географической зональности и дискретность гидрометеорологических полей в горных условиях муссонного климата // Расчёты и прогнозы стока рек. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. - С. 3-31. - (Тр. ДВНИГМИ; вып. 35).

32. Гарцман, И. Н. Индикационные свойства удельных валовых показателей речной сети и их геологическая интерпретация / И. Н. Гарцман, М. С. Карасёв, Н. И. Лобанова,

33. А. И. Степанова // Проблемы анализа гидрометеорологических систем. JL: Гидрометеоиздат, 1976. - С. 93-110. - (Тр. ДВНИГМИ; вып. 54).

34. Гарцман, И. Н. Об индикативных свойствах густоты речной сети / И. Н. Гарцман, М. С. Карасёв, Н. И. Лобанова // Вод. ресурсы. 1973. - № 6. - С. 144-152.

35. Гарцман, И. Н. Системные аспекты моделирования в гидрологии // Проблемы анализа гидрометеорологических систем- Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 3-84. - (Тр. ДВНИГМИ; вып. 63).

36. Гарцман, И. Н. Топология речных систем и гидрографические индикационные исследования // Вод. ресурсы. 1973. - № 3. - С. 109-124.

37. Гидрологическая роль леса // Гидрометеорология: Обзор, информ. Сер. Гидр. суши. -М.: ВНИГМИ-МЦД, 1985. Вып. 2. - 56 с.

38. Гидрологическая роль лесных геосистем. Новосибирск: Наука, 1989. - 153 с.

39. Горчаков, А. М. Исследование элементов водного баланса и его структуры в Приморье. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - 182 с.

40. Губарева, Т. С. Пространственные закономерности генезиса максимального стока в бассейне Амура // Географические и геоэкологические исследования на Дальнем Востоке. Владивосток: Дальнаука, 2004. - С. 116-129.

41. Зайков, Б. Д. Высокие половодья и паводки на реках СССР за историческое время. -Л.: Гидрометеоиздат, 1954. 134 с.

42. Зайков, Б. Д. Очерки гидрологических исследований в России. Л.: Гидрометеоиздат, 1973.-326 с.

43. Зайков, Б. Д. Средний сток и его распределение в году на территории СССР. Тр. НИУ ГУГМС. - 1946. - Cep.IV, вып. 24. - 147 с.

44. Защита от наводнений населённых пунктов, народнохозяйственных объектов, сельскохозяйственных и других ценных земель в Приморском крае на 1994-2000 годы. Федеральная целевая программа. Владивосток, 1996. - 83 с.

45. Знаменская, Н. С. Гидравлическое моделирование русловых процессов. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. - 240 с.

46. Знаменская, Н. С. Русловые процессы и определяющие их факторы // Вод. ресурсы. -2001.-№6.-С. 711-717.

47. Знаменская, Н. С. Системная методология как основа изучения руслового процесса // Динамика и термикарек и водохранилищ. М.: Наука, 1984. - С. 171-194.

48. Зоркальцев, В. И. Модель страхования и эффект возрастания вероятности разорения с ростом числа страхуемых объектов / В. И. Зоркальцев, В. В. Лесных // Социально-экономические и экологические аспекты анализа риска. Иркутск: СЭИ СО РАН, 1993.-С. 63-71.

49. Игнатов, А. В. Динамика составляющих водного баланса речных бассейнов / А. В. Игнатов, В. Н. Федоров, В. В. Захаров. Иркутск: ИГ СО РАН, 1998. - 185 с.

50. Казанский, Б. А. Закономерности распределения структуры речных систем / Б. А. Казанский, Г. Я. Рябчиков // Проблемы анализа гидрометеорологических систем Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - С. 91-97. - (Тр. ДВНИГМИ; вып. 63).

51. Казанский, Б. А. Количественная характеристика структуры речных систем // Проблемы анализа гидрометеорологических систем-Л.: Гидрометеоиздат, 1976. -С. 62-68. (Тр. ДВНИГМИ; вып. 54).

52. Калинин, Г. П. Космические методы в гидрологии / Калинин Г. П., Курилова Ю. В., Колосов П. А. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. - 184 с.

53. Калинин, Г. П. Проблемы глобальной гидрологии. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 375 с.

54. Карасев, М. С. Морфология русел как индикатор гидрологического режима речных долин / М. С. Карасев, Б. И. Гарцман // Гидрология и русловые процессы. М., 1998. - С. 183-196. - (Тр. Академ, водохозяйств. наук; вып. 5).

55. Карасев, М. С. О принципах регионального анализа русловых процессов малых и средних рек и их антропогенной динамики / М. С. Карасев, Б. И. Гарцман // Геоморфология. 2002. - № 2. - С. 10-16.

56. Карасев, М. С. Прогноз антропогенной динамики русловых процессов малых и средних рек Приморского края в условиях хозяйственного освоения их долин: Проект метод, пособия / Карасев М. С., Гарцман Б.И. Владивосток: Дальнаука, 2002. - 47 с.

57. Карасев, М. С. Пространственно-временные закономерности руслового морфогенеза горных стран муссонной зоны / М. С. Карасев, Б. И. Гарцман, С. М. Тащи // География и природ, ресурсы. 2000. - № 1. - С. 106-116.

58. Карасев, М. С. Речные системы (на примере Дальнего Востока) / М. С. Карасев, Г. И. Худяков. М.: Наука, 1984. - 143 с.

59. Карасев, М. С. Роль морфоструктуры в функционировании речных систем // Проблемы морфотектонических исследований. Владивосток: ТИГ ДВНЦ АН СССР, 1985.-С. 141-146.

60. Карасёв, М. С. Строение и водоносность речной сети Дальнего Востока (к методологии гидрографических индикационных исследований) / М. С. Карасёв, Н. И. Лобанова. Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 135 с.

61. Карташов, И. П. Основные закономерности геологической деятельности рек горных стран. М.: Наука, 1972. - 212 с.

62. Картвелишвили, Н. А. Стохастическая гидрология. Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 200 с.

63. Кархов, А. Н. Страхование аварий и катастроф, имеющих системный характер // Социально-экономические и экологические аспекты анализа риска. Иркутск: СЭИ СО РАН, 1993. - С. 72-76.

64. Кашменская, О. В. Теория систем и геоморфология. Новосибирск: Наука, 1980. - 184 с.

65. Кичигина, Н. В. Генетический и статистический анализ максимального стока рек юга Восточной Сибири // Природные и социально-экономические условия регионов Сибири. Новосибирск, 2000. - С. 19-22.

66. Кичигина, Н. В. Оценка кривых распределения максимального стока рек юга Восточной Сибири // Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже 3-го тысячелетия: Материалы Всерос. конф. Томск, 2000. - С. 325-328.

67. Кондратьев, А. И. Объединение альтернативных гипотез на формирование русел // Динамика и термика рек и водохранилищ. М.: Наука, 1984. - С. 312-315.

68. Кондратьев, А. И. Принципы образования извилистости: меандрирование рек и других природных потоков // Изв. РАН, сер. Геогр. 2000. - № 4. - С. 42-44.

69. Кондратьев, Н. Е. Основы геоморфологической теории руслового процесса / Н. Е. Кондратьев, И. В. Попов, Б. Ф. Снищенко. Л.: Гидрометеоиздат, 1982. - 272 с.

70. Коновалова, Т. И. Геосистема и окружающая среда // Научные чтения памяти академика Виктора Борисовича Сочавы. Иркутск: Ин-т геогр. СО РАН, 2002. - С. 40-49.

71. Коронкевич, Н. И. Комплексная дифференциация водного баланса территории // Гидрологические исследования ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1986. - С. 815.

72. Короткий, А. М. Литология и геохимия современных озёрных отложений гумидной зоны (на примере оз.Ханка) / А. М. Короткий, М. А. Михайлов, И. В. Китаев, В. Б. Курносов. М.: Наука, 1979. - 134 с.

73. Короткий, А. М. Палеогеоморфологический анализ осадков и рельефа горных стран (на примере Дальнего Востока). М.: Наука, 1983. - 245 с.

74. Корытный, Л. М. Бассейновая концепция в природопользовании. Иркутск: Ин-т геогр. СО РАН, 2001.- 161 с.

75. Круть, И. В. Введение в общую теорию Земли. М.: Мысль, 1978. - 368 с.

76. Кузин, П. С. Географические закономерности гидрологического режима рек / П. С. Кузин, В. И. Бабкин. Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 200 с.

77. Кузин, П. С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. - С. 42-94.

78. Куренцова, Г. Э. Растительный покров приуссурийской части бассейна Среднего Амура. Владивосток: Дальневост. кн. изд-во, 1965. - 72 с.

79. Кучмент, Л. С. Чувствительность гидрологических систем: влияние антропогенных изменений речных бассейнов и климата на гидрологический цикл / Л. С. Кучмент, Ю. Г. Мотовилов, Н. А. Назаров. М.: Наука, 1990. - 142 с.

80. Ламакин, В. П. О динамической классификации речных отложений // Бюл. МОИП. Отд.геол. 1950. - Нов.сер.Т.Ш (IX). - С. 161-168.

81. Ландшафтно-гидрологический анализ территории. Новосибирск: Наука, 1992. - 208 с.

82. Леса Дальнего Востока. М: Лесная промышленность, 1969. - 392 с.

83. Лесных, В. В. Экологическое страхование в газовой промышленности: информационные, методические и модельные аспекты / В. В. Лесных, Е. Ю. Шангареева, Е. П. Владимирова и др. Новосибирск: Наука, 1996. - 138 с.

84. Лобанов, С. А. Роль границы и высоты снежного покрова в формировании зон термических контрастов на подстилающей поверхности суши юга Дальнего Востока / С. А. Лобанов, Е. Э. Холодён, Б. И. Гарцман, Н. В. Ситникова, М. В.

85. Степанова // Материалы науч. конф. по проблемам вод. ресурсов Дальневосточ. эконом, р-на и Забайкалья. СПб.: Гидрометеоиздат, 1991. - С. 279-283.

86. Львович, М. И. Мировые водные ресурсы и их будущее. М.: Мысль, 1974. - 448 с.

87. Львович, М. И. Опыт классификации рек СССР // Тр. ГГИ. 1938. - Вып.6. - С. 58108.

88. Маккавеев, Н. И. Русловые процессы / Маккавеев Н. И., Чалов Р. С. М.: Изд-во МГУ, 1986. - 264 с.

89. Маккавеев, Н. И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. М.: Изд-во АН СССР, 1955. -346 с.

90. Мандыч, А. Ф. Изменение гидрологического режима территории при ее интенсивном освоении // Стационарные исследования на юге Дальнего Востока. Владивосток: ДВНЦАН СССР, 1979.-С. 155-166.

91. Нежиховский, Р. А. Наводнения на реках и озерах. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 183 с.

92. Никонова, Р. И. Поверхности выравнивания в рельефе Южного Приморья. М.: Наука, 1966. - 95 с.

93. Новороцкий, П. В. Тепловой баланс среднегорных районов (на примере юга Дальнего Востока). Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1984. - 132 с.

94. Новосельцев, В. Н. Техногенное загрязнение речных экосистем / В. Н. Новосельцев и др. -М.: Научный мир, 2002. 140 с.

95. Опритова, Р. В. Водоохранная роль лесов южного Сихотэ-Алиня. М.: Наука, 1978. -191 с.

96. Опритова, Р. В. Надземная фитомасса лесов и речной сток в южном Сихотэ-Алине. -Владивосток: Биол.-почв. ин-т, 1991. 117 с.

97. Основные гидрологические характеристики рек бассейна Амура на территории КНР // Отчет Дальневост. межрегион, территор. упр. по гидромет. и мониторингу окр. среды. Хабаровск, 2001. - 34 с.

98. Петров, Е. С. Климат Хабаровского края и Еврейской автономной области / Е. С. Петров, П. В. Новороцкий, В. Т. Леншин. Владивосток; Хабаровск: Дальнаука, 2000. - 174 с.

99. Писаренко, В. Ф. Применение теории экстремальных событий в задачах аппроксимации распределений вероятностей максимальных расходов воды / В. Ф. Писаренко, М. В. Болгов, Н. В. Осипова, Т. А. Рукавишникова // Вод. ресурсы. -2002. -№ 6. -С. 645-657.

100. Природные опасности России: Моногр. в 6 т. М.: КРУК, 2000 - . - Т. 5. Гидрометеорологические опасности. - 2001. - 295 с.

101. Природные опасности России: Моногр. в 6 т. М.: КРУК, 2000 - . - Т. 6. Оценка и управление природными рисками. - 2003. - 316 с.

102. Пузаченко, Ю. Г. Информационно-логический анализ в медико-географических исследованиях / Ю. Г. Пузаченко, А. В. Мошкин // Медицинская география. -1969. С. 44-51. - (Итоги науки и техники, вып.З).

103. Расчёты паводочного стока. Методы расчётов на основе мирового опыта. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 304 с.

104. Расчеты речного стока (методы пространственного обобщения). М.: Изд-во МГУ, 1984.- 165 с.

105. Раткович Д. Я. Типы наводнений и пути сокращения наносимых ими ущербов / Д. Я. Раткович, Л. Д. Раткович // Вод. ресурсы. 2000. - № 3. - С. 261-266.

106. Раткович, Д. Я. Изменение режима колебаний речного стока при его регулировании / Д. Я. Раткович, Т. 10. Выручалкина, И. В. Соломонова // Вод. ресурсы. 2003. - № 2.-С. 133-141.

107. Раткович, Д. Я. Стохастические модели колебаний составляющих водного баланса речного бассейна / Д. Я. Раткович, М. В. Болгов. М: ИВП РАН, 1997. - 262 с.

108. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 18: Дальний Восток, вып. 3. Приморье. Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 624 с.

109. Ржаницын, Н. А. Морфологические и гидрологические закономерности строения речной сети. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. - 238 с.

110. Робинсон, Н. А. Правовое регулирование природопользования и охраны окружающей среды в США. -М.: Прогресс, 1990. 141 с.

111. Россинский, К. И. Закономерности формирования речных русел / К. И. Россинский, И. А. Кузьмин // Русловые процессы. М.: Изд-во АН СССР, 1958. - С. 5-14.

112. Саваренский, Ф. П. Инженерная геология. М.; Д.: ГОНТИ, 1939.-453 с.

113. Сахарюк, Н. П. Связь руслоформирующей деятельности рек Приморского края с геолого-геоморфологическими условиями / Н. П. Сахарюк, М. С. Карасев // Геоморфология. 1989. - № 2. - С.84-92.

114. Сванидзе, Г. Г. Математическое моделирование гидрологических рядов. Д.: Гидрометеоиздат, 1977.-196с.

115. Семенов, Ю. М. Эволюционно-динамические аспекты учения о геосистемах // Научные чтения памяти академика Виктора Борисовича Сочавы. Иркутск: Ин-т геогр. СО РАН, 2002. - С. 10-22.

116. СНиП 2.01.14-83. Определение расчетных гидрологических характеристик / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1985. - 36 с.

117. СНиП 2.06.01-86. Гидротехнические сооружения. Основные положения проектирования / Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1987. - 30 с.

118. Соколовский, Д. Л. Речной сток. Л.: Гидрометеоиздат, 1968. - 539 с.

119. Сочава, В. Б. Введение в учение о геосистемах. Новосибирск: Наука, 1978. - 319 с.

120. Сочава, В. Б. Географические прогнозы // Теория и методы прогноза изменений географической среды. Иркутск, 1973. - С. 7-11.

121. Степанова, М. В. Использование модели паводочного цикла малого речного бассейна для прогноза стока рек Приморья // Геогр. и природ, ресурсы. 1997. - № 4. - С. 133-141.

122. Тащи, С. М. Морфотектоническое картографирование складчатых областей (теоретический и прикладной аспекты) / С. М. Тащи, В. В. Ермошин. М.: Наука, 1988.-242 с.

123. Тащи, С. М. Кайнозойский бассейн Западного Приморья и сопредельных территорий Китая и Кореи / С. М. Тащи, А. Г. Аблаев, Н. Г. Мельников. Владивосток: Дальнаука, 1996. - 150 с.

124. Уайт, Г. Водные ресурсы США. Проблемы их использования. М.: Прогресс, 1973. -189 с.

125. Уайт, Г. География, ресурсы и окружающая среда: Избр. статьи. -М.: Прогресс, 1990. -219 с.

126. Условия формирования и прохождения паводка на реках Восточного Забайкалья в июле 1958 года. Чита, 1959. - 28 с.

127. Усовершенствовать методы комплексной оценки и картирования риска, связанного с наводнениями, вероятностной оценки ущерба от них: отчёт о НИР. Владивосток: ДВНИГМИ. - 1998. - 132 с. - № ГР 01960006778.

128. Усовершенствовать методы расчётов и прогнозов характеристик катастрофических наводнений на Дальнем Востоке и оценки вызываемого ими ущерба: отчёт о НИР.- Владивосток: ДВНИГМИ. 1995. - 114 с. - № ГР 01940010456.

129. Уфимцев, Г. Ф. Тектонический анализ рельефа (на примере востока СССР). -Новосибирск: Наука, 1984. 183 с.

130. Федоровский А. С. Региональная адаптация моделей круговорота воды: дис. . д-ра геогр. наук. Владивосток: ТИГ ДВО РАН, 1999. - 424 с.

131. Федосеев, И. А. История изучения основных проблем гидросферы. М.: Наука, 1975.- 208 с.

132. Фролов, А. В. Динамико-стохастические модели многолетних колебаний некоторых гидрологических процессов // Воды суши: проблемы и решения. М.: ИВП РАН, 1994.-С. 179-192.

133. Хаггет, П. География: синтез современных знаний. М.: Прогресс, 1979. - 684 с.

134. Хортон, Р. Е. Эрозионное развитие рек и водосборных бассейнов. М.: Иностр. лит., 1948.- 158 с.

135. Худяков, Г. И. Проблемы поверхностей выравнивания горных стран / Худяков Г. И., Никонова Р. И. Новосибирск: Наука, 1975. - 154 с.

136. Чалов, Р. С. Географические исследования русловых процессов. М.: Изд-во МГУ, 1979.-232 с.

137. Чалов, Р. С. Типы русловых процессов и принципы морфодинамической классификации речных русел // Геоморфология. 1996. - № 1. - С. 26-36.

138. Чалов, Р. С. Районирование территории Сибири по характеру руслоформирующей деятельности рек / Чалов Р. С., Белый Б. В. // Метеорология и гидрология. 1975. -№ 12.-С. 43-51.

139. Чеботарев, А. И. Гидрологический словарь. Л.: Гидрометеоиздат, 1978. - 308 с.

140. Чернов, А. В. Геоморфология пойм равнинных рек. М.: Изд-во МГУ, 1983. - 198 с.

141. Шаликовский, А. В. Системный подход к планированию противопаводковых мероприятий // Мелиорация и вод. хозяйство. 1995. - № 4. - С. 5-6.

142. Шаликовский, А. В. Водные и водохозяйственные риски: анализ проблемы, концептуальные основы страхования. Екатеринбург: Изд-во РосНИИВХ, 2003. -100 с.

143. Шаликовский, А. В. Концепция решения проблемы наводнений // Вода России: Экономико-правовое управление водопользованием. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2000. - С. 39-50.

144. Шаликовский, А. В. Наводнения // Вода России: Социально-экологические водные проблемы. Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2000. - С. 231-243.

145. Шаликовский, А. В. Экономико-математические модели наводнений // Вода России: Математическое моделирование в управлении водопользованием. -Екатеринбург: АКВА-ПРЕСС, 2001. С. 352-362.

146. Шульц, B.JI. Некоторые итоги и пути развития способов расчета стока в условиях горных стран // Водный баланс территории Средней Азии. JL: Гидрометеоиздат, 1972. - С. 3-16. - (Тр. САНИГМИ, вып. 62(77)).

147. Bruijnseel L. A. Hydrology of Moist Tropical Forests and Effects of Conservation: A State-of-Knowledge Review. Paris; Amsterdam: UNESCO/Free University. - 1990. - 53 p.

148. Diermanse, F. L. M. Physically based modeling of rainfall-runoff processes. Delft: Delft University Press, 2001. - 234 p.

149. Franchini, M. Comparative analysis of several conceptual rainfall-runoff models / M. Franchini, M. Pacciani // J.Hydrol. 1991. - V. 122. - P. 161-205.

150. Gartsman, В. I. Rain floods in river valleys: risk control, protection and insurance / В. I. Gartsman, M. S. Karasyov // Natural Disaster Management.- Leicester: Tudor Rose, 1999.- P. 114-116.

151. Gartsman, В. I. Flooding in monsoon rivers: complex hydrometeorological risk analysis / B. I. Gartsman, M. S. Karasyov // Hydrological Extremes: Understanding, Predicting, Mitigating: IAHS Publ. no 255. S.l. - 1999. - P. 307-310.

152. Gartsman, В. I. Contrregulation phenomenon in flood cycle model of small river basin // Intern. Conf. "Extremes 2000". Reykjavik, 2000. - P. 231-233.

153. Global Register of Large River Flood Events (1997-1999). Dartmouth Flood Observatory, Department of Geography, Dartmouth College. Hanover NH 03755 USA. http://www.dartmouth.edu/arsci/geog/floods/

154. Gupta, V. Emergence of statistical scaling in floods on Channel networks from complex runoff dynamics // Fractals in Geophysics. Chaos Solitons and Fractals. 2004. - Vol. 19(2).-P. 357-365.

155. Menabde, M. Linking space-time variability of river runoff and rainfall fields: a dynamic approach / M. Menabde and M. Sivapalan // Adv. in Water Resour. 2001. - Vol. 24. -P. 1001-1014.

156. Nash J. E., Sutclifee J. V. River flow forecasting through conceptual models. Part 1 A discussion of principles //J.Hydrol. - 1970. - Vol. 10. - P. 282-295.

157. Ogden, F. L. Peak discharge scaling in a small Hortonian watershed / F. L. Ogden and D. R. Dawdy // J. Hydrologic Eng. 2002. - In press.

158. Reggiani, P. Coupled equations for mass and momentum balance in a stream network: Theoretical derivation and computational experiments / P. Reggiani, M. Sivapalan, S. M. Hassanizaden, W. G. Gray // Proc. R. Soc. Lond. A 2001. - Vol. 457. - P. 157-189.

159. Sheidegger, A. E. A stohastic model fo drainage patterns into an intromontane trench // Inter.Assoc.Hydrology Bull. 1967. - Vol. 12. - P. 651-657.

160. Sheidegger, A. E. On the topology of river nets // Water Resour. Res. 1967. - Vol. 3. - № l.-P. 103-106.

161. Sivapalan, M. Linearity and nonlinearity of basin response as a function of scale: Discussion of alternative definitions / M. Sivapalan, C. Jothityangakoon, M. Menabde // Water Resour. Res. 2002. - Vol. 38(2) - P. 4-1 - 4-5.

162. Veitzer, S. Random self-similar river networks and derivations of generalized Horton laws in terms of statistical simple scaling / S. Veitzer, V. Gupta // Water Resour. Res. Vol. 36(4)-2000. - P. 1033- 1048.