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