Том 50, № 4 (2023)

Сформулированы основные требования к численным алгоритмам для гидродинамического 2D-моделирования протяженных и гиперпротяженных участков рек и речных долин длиной до тысяч километров. Главным является применение адаптивных неструктурированных сеток, а также алгоритмов, дающих правильные значения отметок водной поверхности на “грубых” сетках с учетом резких перепадов отметок дна. Представлена гидродинамическая модель р. Амур общей протяженностью >3 тыс. км, основанная на численном решении двумерных уравнений мелкой воды (Сен-Венана) по оригинальному высокоточному алгоритму с учетом дорожных и защитных сооружений на пойме. Описаны этапы построения модели, ее верификации и результаты расчетов экстраординарного наводнения в 2013 г. и высокого наводнения в 2020 г. Приведены отметки уровней (с оценкой погрешности) и величины расходов воды на водопостах, скоростные поля течения, зоны затопления пойменных территорий.

Модель паводкового цикла FCM – концептуальная воднобалансовая модель с сосредоточенными параметрами, разработанная для имитации дождевого стока в масштабе малого речного бассейна. Разработка модели FCM включает описание динамики основных составляющих общего влагозапаса бассейна и воспроизводит эффект пространственной экспансии дренажной сети за счет временны́х поверхностных и подповерхностных водотоков при экстраординарных паводках. Принятые концептуальные допущения модели, согласующиеся с рациональными гидрологическими соображениями, приводят к трем режимам формирования стока, называемым внутриобъемным, поверхностным и “прорывным”. Представлено детальное изложение концепции и алгоритмов FCM.

Проведена проверка методики расчетов различных характеристик формирования снежного покрова, основанной на использовании модели взаимодействия подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP, для полевых участков Европейской территории России для исторического периода (1967−2019 гг.). Сопоставление результатов моделирования с соответствующими данными наблюдений продемонстрировало хорошее качество воспроизведения снегозапасов на указанных объектах. Проведен анализ изменения климатических значений характеристик формирования снежного покрова на протяжении исторического периода, что позволило выявить тенденции изменения этих характеристик для полевых участках в течение рассмотренного периода.

С помощью гидрологической модели ECOMAG проведены расчеты характеристик стока в бассейнах основных рек Европейской части России: Волги, Дона, Северной Двины, Печоры и Кубани. На основе данных станционных метеорологических наблюдений проведены калибровка и верификация моделей формирования стока для различных гидрометрических постов в перечисленных бассейнах. Затем в качестве входных были использованы данные ансамбля глобальных моделей климата для оценки регионального гидрометеорологического режима при реализации сценария глобального потепления на 1.5 и 2°С в XXI в. относительно доиндустриальных значений. Выполнена оценка воспроизведения годового и сезонного стока по данным климатических моделей относительно данных наблюдений. Согласно результатам численных экспериментов, при глобальном потеплении на 1.5 и 2°С величины относительного изменения стока рек Европейской части России возрастают с С на Ю и с В на З, т. е. гидрологические системы в более мягком климате оказались чувствительнее к изменению метеорологических характеристик. Оценка аномалий стока Европейской части России показала следующие общие признаки: увеличение зимнего стока северных рек и в бассейне Волги, уменьшение весеннего талого стока на Северной Двине, Волге и Дону, снижение летне-осеннего стока всех исследуемых рек различной степени интенсивности. При этом годовой сток Печоры будет иметь положительную тенденцию, а сток Северной Двины, Волги, Дона и Кубани – отрицательную.

Представлена методика гидродинамического моделирования характеристик затопления пойм с учетом сценариев изменения климата на основе результатов численных экспериментов с моделью формирования речного стока при использовании результатов ансамблевых расчетов по глобальным климатическим моделям. Модельные расчеты выполнены на основе российских программных комплексов ECOMAG и STREAM_2D. Для ключевого участка р. Лены у г. Якутска (г.п. Табага) расчеты по всем сценариям и моделям диагностируют возможное увеличение стока к середине XXI в. и обусловленное ростом стока увеличение площадей и глубин затопления на 9–15%.

Водные ресурсы Северного Кавказа преимущественно зависят от состояния ледников, которые интенсивно теряют массу в последние десятилетия на фоне изменения климата. Результатом дегляциации является не только снижение ледникового стока горных рек, но и изменение внутригодового распределения стока. В данном исследовании описана адаптация программного комплекса ECOMAG для моделирования речного стока в бассейне р. Баксан на основе данных о рельефе, подстилающей поверхности водосбора (почв, растительности) и суточных данных о приземной температуре воздуха, дефиците влажности воздуха и осадках. Калибровка и валидация модели и статистическая оценка эффективности расчетов проводились по данным о расходах воды р. Баксан за 2000–2017 гг. На основе разработанной модели формирования стока в бассейне р. Баксан проведены численные эксперименты по оценке чувствительности характеристик стока к изменению площади оледенения. В зависимости от интенсивности процесса дегляциации сток р. Баксан может снизиться на 10–30% в результате уменьшения ледниковой составляющей, а максимальные расходы воды на 10–15%.