Регистрация / Вход
Прислать материал

Исследования пространственно-временных закономерностей формирования водных ресурсов и качества вод с учетом изменений климата и антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборы

Стадии проекта
Предложение принято
Конкурс завершен
Проект закончен
Проект
02.740.11.0336
Организация
ИВП РАН
Продолжительность работ
2009 - 2011, 26 мес.
Бюджетные средства
13,5 млн
Внебюджетные средства
2,84 млн

Информация отсутствует

Этапы проекта

1
07.07.2009 - 15.12.2009
АННОТАЦИЯ РАБОТ,
ВЫПОЛНЕННЫХ НА ЭТАПЕ № 1
«Анализ пространственно-временного распределения ресурсов вод суши на территории России и разработка информационной базы для совершенствования методик исследования водных ресурсов и прогноза их природных и антропогенных изменений»
государственного контракта с Федеральным агентством по науке
и инновациям от 07 июля 2009 г. № 02.740.11.0336


Шифр: «2009-1.1-154-069-010»
Период выполнения этапа 07 июля 2009 г. – 15 декабря 2009 г.
Исполнитель: Учреждение Российской академии наук Институт водных проблем РАН (ИВП РАН)
119333, Москва, ул. Губкина, д. 3
Цель работы Цели выполнения проекта по ТЗ Госконтракта:
1. Исследование особенностей формирования ресурсов и качества вод суши в разных физико-географических условиях и оценка чувствительности водных ресурсов и основных факторов их формирования к изменения климата и хозяйственной деятельности.
2. Разработка новых и усовершенствование уже существующих методов исследования процессов гидрологического цикла суши, гидрофизических и гидрохимических процессов в водных объектах и на водосборах путем разработки математических моделей этих процессов и применения разработанных моделей для оценки гидроэкологических последствий изменений климата и хозяйственной деятельности.
3. Разработка новых методов оценки опасности и масштабов наводнений на реках России, прогнозирования речного стока с учетом пространственной неоднородности физико-географических и метеорологических условий формирования стока в речных бассейнах, а также возможных изменений этих условий при изменениях климата и хозяйственной деятельности.
4. Разработка научных основ повышения эффективности управления водноресурсными системами, водопользованием и охраной вод в условиях изменений климата и хозяйственной деятельности.

1. Наименование разрабатываемой продукции
Разрабатываемая научная и научно-техническая продукция будет включать:
- Методы:
• методы расчета величины и вероятности формирования выдающихся дождевых паводков и весенних половодий на основе динамико-стохастических моделей формирования речного стока, а также оценок возможных изменений опасности экстремальных гидрологических явлений при изменениях климата и хозяйственной деятельности в речных бассейнах;
• методы расчетов максимально возможного стока весеннего половодья на основании физико-математических моделей формирования стока в совокупности с методами определения максимально возможных гидрометеорологических воздействий на речной водосбор;
• методы оценки предсказуемости гидрологических систем и методы долгосрочных вероятностных прогнозов стока горных рек (на примере р. Кубань);
• методы оценки зависимостей пространственного распределения подземного стока от климатических факторов и геолого-гидрогеологических характеристик речных бассейнов на основе технологий, использующих геоинформационные системы (ГИС-технологий);
• гидролого-морфологические методы исследования речных дельт;
• методы комплексной оценки степени загрязненности вод;
• методы лабораторных исследований ледовых явлений;
• методика исследования термогидродинамического режима и потоков вещества в водохранилище долинного типа с учетом влияния естественных и антропогенных факторов;
• методика исследования географических особенностей формирования кислородного режима рек;
• методика проведения комплексных (натурных, лабораторных и с помощью математических моделей) гидрохимических исследований;
• методы обоснования и согласования стратегий использования и охраны водных ресурсов в условиях рыночной экономики с учетом изменений климата;
• методы выработки стратегий управления водохозяйственными системами в условиях неопределенности.
- Модели:
• физически обоснованные математические модели гидрологического цикла и формирования речного стока для речных бассейнов, расположенных в различных физико-географических и климатических условиях;
• стохастические модели процессов формирования химических и микробиологических показателей качества вод;
• статистическая модель взаимосвязи гидрохимических и гидробиологических показателей качества вод;
• статистическая модель взаимосвязи гидрологического режима криолитозоны с изменениями климата в арктических широтах;
• математические модели вертикального тепло- и влагообмена поверхности суши с атмосферой;
• математические модели тепломассообмена в системе водоем-атмосфера;
• математические модели выноса вещества с антропогенно нарушенных водосборов с рассредоточенными источниками загрязнения.
- Технологии:
• ГИС-технологии для электронной версии интерактивной карты ресурсов подземных вод России;
• ГИС-технологии для электронного атласа «Гидрологический режим водных объектов суши на территории России;
• ГИС-технологии построения электронных карт характеристик величины техногенного регулирования;
• ГИС-технологии составления электронных карт пространственно распределенной информации о состоянии речных водосборов России и их использования для построения классификационных схем;
• ГИС-технологии составления электронных карт распределения температуры, осадков и стока на речных бассейнах России;
• ГИС-технологии составления электронных карт показателей внутригодовой неравномерности стока рек России;
• Технология использования в моделях гидрологического цикла пространственного распределения характеристик подстилающей поверхности на основе спутниковой информации;
• Технология оценки критических (пороговых) значений внешнего, естественного и антропогенного воздействия на водные объекты и экосистемы;
• Технология построения карт распределения характеристик, определяющих величину техногенного регулирования, для субъектов РФ.
- Электронные карты и базы данных:
• электронная интерактивная карта ресурсов подземных вод России
• географическая информационная система (ГИС) «Гидрологический режим водных объектов суши на территории России»,
• базы данных гидрометеорологических наблюдений в бассейнах рек азиатской территории России (Колыма, Лена, Индигирка, Обь), а также базы данных гидрометеорологических наблюдений в бассейнах рек северного склона ЕТ РФ (Мезени, Печоры, Сев.Двины), ряда рек бассейнов Черного и Азовского море (Днепра, Дона, Кубани);
• базы данных по гидроэкологическому состоянию малых рек Тверской и Вологодской области;
• база данных спутниковых измерений подстилающей поверхности в бассейнах рек Европейской части России.
- Отчет о НИР, содержащий обоснование развиваемого направления исследований, изложение методик проведения исследований, а также описание полученных результатов.

2. Характеристика выполненных на этапе работ по созданию продукции
2.1. Результаты работы на 1 этапе:
(1) Выделены экономические и административные районы России с разной степенью обеспеченности водными ресурсами и техногенной нагрузки на них. (2) Показано, что характеристики неравномерности внутригодового распределения стока испытывают закономерное пространственно-временное изменение на территории России. (3) Установлено влияние естественной зарегулированности стока на повторяемость затоплений поймы. (4) Выполнена переоценка естественных ресурсов подземных вод и построены их электронные карты (на примере бассейна р. Дон). (5) Показано, что линейный тренд в межгодовых изменениях приземной температуры воздуха в западной части приполярного региона и зависимость температуры воздуха от содержания парниковых газов в атмосфере статистически незначимы. (6) Показан вклад североатлантического колебания в общую дисперсию межгодовых изменений температуры воздуха в западной части Арктики. (7) На примере Волжского бассейна показано, что для большинства рек в этом бассейне характерно асинхронное изменение максимальных и минимальных годовых расходов воды, прослеживаемое с конца ХIX в. (8) Изменения характеристик весеннего стока при изменениях залесенности бассейна могут существенно различаться, в зависимости от особенностей погоды в период снеготаяния. (9) Среди факторов, влияющих на гидрологический режим дельт, ускоряющееся повышение уровня Мирового океана – одно из самых опасных для дельт последствий глобального потепления. (10) Создана база многолетних данных суточных значений гидрометеорологических характеристик, сценарных вариантов изменения этих характеристик на период до 2050 г., а также тепло- и гидрофизическим параметров подстилающей поверхности для речных ЕТ России и Восточной Сибири. (11) Создана база гидрологических, гидроэкологических и водохозяйственных данных о состоянии малых рек Тверской и Вологодской областей. (12) Создана база данных спутниковых и наземных измерений характеристик речных бассейнов России. (13) Показано, что происходящее изменение климата Восточной Сибири сопровождается сокращением мощности ледового покрова на малых и средних реках, большей глубиной протаивания многолетнемерзлых пород и болотных массивов. (14) на примере бассейна р. Дон показано наличие статистически достоверных возрастающих трендов температуры воздуха в последние десятилетия. (15) климатические изменения в бассейне р. Дон оказывают влияние на формирование экстремально низкой водности малых и средних рек.
Все перечисленные результаты соответствуют требованиям Технического задания.
2.2. Новизна применяемых решений.
Методы, применявшиеся для достижения перечисленных результатов, соответствуют мировому уровню работ в области гидрологии суши и исследования водных ресурсов, а при решении некоторых из стоящих задач применялись методы, превышающие мировой уровень. В частности, оценки влияния залесенности речного водосбора и ее изменений на величину и режим весеннего половодья впервые получены на основе численных экспериментов с физико-математической моделью формирования речного стока на лесном водосборе, также впервые установлено влияние естественной зарегулированности стока на повторяемость наводнений.
2.3. Особенности исследования, разработки, метода или методологии проведения работы на отчетном этапе.
Методы исследований, применявшиеся на отчетном этапе, включают: математическое моделирование процессов гидрологического цикла суши, методы статистического анализа гидрометеорологических данных, географические, картографические методы обработки пространственно распределенных данных, гидролого-морфологические методы исследования речных дельт, методы анализа спутниковой информации о характеристиках подстилающей поверхности.
2.4. Объекты интеллектуальной собственности, созданные на отчетном этапе, включают:
(1) базы данных гидрометеорологических наблюдений в бассейнах рек азиатской территории России (Колыма, Лена, Индигирка, Яна), а также базы данных гидрометеорологических наблюдений в бассейнах рек северного склона ЕТ РФ (Мезени, Печоры, Сев. Двины); (2) базы данных по гидроэкологическому состоянию малых рек Тверской и Вологодской области; (3) база данных спутниковых измерений подстилающей поверхности в бассейнах рек России; (4) карты распределения водных ресурсов по территории России; (5) карты показателей внутригодовой неравномерности стока рек России.
3. Области и масштабы использования полученных результатов
3.1. Области применения полученных результатов.
Полученные результаты могут быть применены в области гидрологии суши для создания новых методов и технологий сбора и обработки натурной информации, ее накопления в форме тематических баз данных и знаний, а также интерпретации натурных данных для оценки и прогнозирования изменений речного стока, водных ресурсов, опасных гидрологических явлений в разных регионах России.
3.2. Ход практического внедрения полученных результатов.
Некоторые из результатов НИР, перечисленных в пункте 2.1, используются уже в текущем учебном году при подготовке методических материалов для учебных занятий на кафедре гидрологии суши Географического факультета МГУ – организации-соисполнителе проекта. Результаты НИР вошли в 15 статей, подготовленных участниками проекта для публикации в высокорейтинговых российских журналах, и 2 статьи для зарубежных журналов. На базе полученных результатов НИР представлены в 22 докладах на всероссийских конференциях и семинарах, а также в 20 докладах на зарубежных научных мероприятиях.
3.3. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на подготовку и закрепление в сфере науки и образования научных и научно-педагогических кадров, достижение или превышение заданных индикаторов и показателей.
Настоящий проект и проводимые в его рамках научные исследования способствовали закреплению в Институте водных проблем РАН - организации-исполнителе проекта – молодых специалистов и аспирантов. В частности, число сотрудников в возрасте до 39 лет в ИВП РАН выросло за отчетный период на 5 человек, а число аспирантов – на 11 человек, из них 3 человека – выпускники кафедры гидрологии суши Географического факультета МГУ.
4. Выводы
1. Научно-исследовательские работы, проведенные на 1 этапе выполнения проекта, позволили получить значимые результаты, которые раскрывают закономерности распределения ресурсов поверхностных и подземных вод на территории России и их возможных изменений под влиянием природных и антропогенных факторов, разработать информационные базы для совершенствования оценок будущего состояния водных ресурсов. Полученные результаты соответствуют требованиям Технического задания.
2. Проект способствовал привлечению к НИР в рамках научно-образовательного центра молодых (до 35 лет) специалистов, аспирантов и студентов, общее число которых составляет 43% от общего числа участников проекта, способствовал увеличению на 11 человек числа аспирантов в академическом Институте – исполнителе проекта.
3. Ряд полученных результатов использованы при подготовке учебно-методических материалов и внедрены в учебный процесс на кафедре гидрологии суши Географического факультета МГУ.
Развернуть
2
01.01.2010 - 30.06.2010
1. Проведение исследований и моделирование
процессов гидрологического цикла и
формирования речного стока на речных бассейнах
Европейской территории России. Разработка
методов оценки водных ресурсов и их
чувствительности к изменениям климата на основе
математических моделей гидрологического цикла
и формирования речного стока.
2. Проведение исследований особенностей
гидротермического и ледового режимов рек и
водоемов на основе данных натурных и
лабораторных измерений.
3. Проведение исследований закономерностей
формирования стока растворенных веществ и его
трансформации под влиянием природных и
антропогенных факторов.
4. Проведение исследований термического,
гидродинамического режимов и потоков вещества
в водохранилище долинного типа с учетом
влияния естественных и антропогенных факторов.
5. Проведение исследований географических
особенностей формирования кислородного
режима рек.
6. Оценка токсичности и формирования качества
воды водных объектов Юга России.
7. Подготовка базы гидрохимических и
гидробиологи-
ческих данных по водным объектам России.
8. Проведение исследований физико-химических
механизмов^выноса примесей с водосборной
территории
Развернуть
3
01.07.2010 - 15.12.2010
(1) Проведен анализ современного водопользования в РФ по данным государственной статистики. Показано, что, несмотря на уменьшение количества водопользователей (за счет укрупнения, реорганизации, перепрофилирования предприятий и т.д.), отмечается рост объема забора воды из природных водных объектов, прежде всего на коммунальные и производственные нужды. Рост водопотребления может привести к водному дефициту в зоне недостаточного увлажнения, где возможно уменьшение водных ресурсов при прогнозируемых изменениях климата. (2) Рост водопотребления сопровождается ростом сброса загрязненных вод вследствие увеличения веса водоемких технологий в производственных процессах, физического износа оборудования на предприятиях очистки сточных вод, повышения аварийности очистных сооружений и т.д. (3) Разработаны методы обоснования стратегий долгосрочного развития водопользования, основанные на математических моделях и системах поддержки принятия водохозяйственных решений (СППВР), а также на экспертных оценках эффективности функционирования водохозяйственных комплексов в различных прогнозируемых условиях. Структуризация имитационных, оптимизационных и др. математических моделей в СППВР проводится как по отдельным проблемам, так и по районированным территориям либо участкам реки. (4) Представлены методы модельного анализа альтернативных сценариев при прогнозировании стратегий водопользования. Созданы методы поддержки принятия решений в условиях высокой неопределенности будущего развития отраслей промышленности и орошаемого земледелия при изменениях климата. (5) Разработана принципиальная технологическая схема управления качеством природных вод. (6) Обоснована методология управления водохозяйственными системами (ВХС), основанная на включении в производственные функции не только величин используемых водных ресурсов, но и их плановых значений (ориентиров). Такая методология дает возможность вырабатывать решения, предусматривающие коррекции стратегии управления при всех возможных реализациях неопределенных будущих условий функционирования ВХС, оценивать риск и надежность той или иной стратегии управления. Предложены общие подходы к построению экономико-математических моделей, реализующих эту методологию и позволяющих адаптировать стратегии управления к возможным изменениям условий функционирования ВХС. (7) Разработаны научно-методические материалы к курсу лекций «Управление водопользованием в нестационарных условиях», которые внедрены в образовательный процесс на кафедре Управления природными ресурсами факультета Государственного управления Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, а также кафедре Экологии и управления водными ресурсами Экологического факультета Российского университета дружбы народов. (8) Для различных отраслей хозяйства определен состав различных гидрологических ограничений на хозяйственную деятельность, направленных на минимизацию водохозяйственного, социального рисков, обеспечение населения и отраслей хозяйства водными, энергетическими, биологическими и другими ресурсами водных объектов и их бассейнов. Для разных регионов РФ проведено обобщение диапазона величин и повторяемостей гидрологических характеристик, при которых наблюдаются благоприятные условия хозяйствования. (9) Предложена методика комплексной оценки критической антропогенной нагрузки для речных водосборов. Описанная методика использована для сопоставления малых рек Московской области по качеству воды, выделения объектов, испытывающих наибольшую антропогенную нагрузку. Показано, что геохимические аномалии в различных элементах водосбора имеют природное и антропогенное происхождение, отличаясь структурой и набором загрязняющих веществ. Предложены методы идентификации диффузных источников загрязнения антропогенного происхождения (с распаханных территорий, от объектов животноводства, застроенных территорий, от полигонов хранения твердых бытовых отходов), а также оценки суммарной токсичности геохимических аномалий природного и антропогенного происхождения в почвах и растительности. (10) Предложена методика оценки критической нагрузки на экосистему водоема, предусматривающая определение фактической антропогенной химической нагрузки на водоем, разработку и адаптацию математической модели экосистемы для реального водоема, расчет степени трансформации химических веществ в экосистеме. Предложенная методика реализована на примере Можайского водохранилища. (11) На основе разработанного ранее показателя - техногенного потенциала регулирования речного стока - выделены 9 субъектов РФ, в которых имеющийся техногенный потенциал на зарегулированных большими водохранилищами реках достаточен для ограничения крупных наводнений. Вместе с тем показано, что этот потенциал недостаточен в 12-ти субъектах РФ: в Ленинградской и Калининградской областях, в Республике Коми Северо-Западного ФО; в Рязанской и Курской областях ЦО, в Кировской, Нижегородской, Саратовской областях и в Республике Башкортостан Приволжского ФО; в Республике Дагестан Южного ФО и в Курганской и Новосибирской областях Сибирского ФО.
Развернуть
4
01.01.2011 - 15.05.2011
1. Проведение исследований процессов
формирования стока воды средних и крупных рек
России с использованием пространственно
распределенной информации о состоянии их
водосборов.
2. Разработка методов оценки опасности и
масштабов наводнений на реках России с учетом
пространственной неоднородности физико-
географических и метеорологических условий
формирования стока в речных бассейнах.
3. Проведение исследований предсказуемости
гидрологических систем и развитие методов
увеличения точности, надежности и
заблаговременности гидрологических прогнозов.
4. Разработка основ концепции экономически
эффективного и экологически безопасного
водопользования.
5. Разработка программы внедрения результатов
НИР в образовательный процесс.
6. Проведение патентных исследований по
предоставлению правовой охраны планируемым
результатам, заключающимся в разработке базы
данных по состоянию малых рек Вологодской
области.
7. Разработка методики вероятностных
долгосрочных прогнозов стока горных рек.
Развернуть
5
16.05.2011 - 15.09.2011
1. Разработка методов региональной оценки
соотношений величин подземного стока с
основными элементами водного баланса.
Выявление тенденций изменений стоковых
характеристик в зависимости от вариаций климата.
Прогноз обеспеченности ресурсами пресных
подземных вод отдельных регионов России.
2. Разработка методов оценки и сценарных
вариантов прогноза водных ресурсов с учетом
возможных изменений климата для Арктических
речных бассейнов Российской Федерации.
3. Разработка методов оценки ресурсов почвенных
вод на водосборах Центрально-черноземной
области Европейской части России на основе
моделей тепло- влагообмена поверхности
водосборов с атмосферой и исследования
чувствительности ресурсов почвенных вод к
возможным изменениям климата.
4. Разработка методов оценки изменений
гидрологического режима многолетнемерзлых
пород при происходящих и прогнозируемых
изменениях климата.
5. Оценка состояния водных объектов в условиях
антропогенного воздействия.
6. Проведение исследований и прогнозирование
реакции режима речных дельт на изменения
климата.
7. Научное обоснование и подготовка базы данных
«Гидрологический режим водных объектов суши на
территории России» для_ ее^использованияв
образовательном процессе.
8. Проведение патентных исследований по предоставлению правовой охраны планируемым
результатам, заключающимся в разработке базы
данных по состоянию малых рек Тверской области.
9. Разработка методики описания в моделях
гидрологического цикла пространственного
распределения характеристик подстилающей
поверхности на основе спутниковой информации.
Развернуть

Программа

Программа "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 - 2013 годы

Программное мероприятие

1.1 Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров
Тема
Разработка научно-методических основ и программного обеспечения технологии проектирования объектов малой гидроэнергетики в условиях изменения климата и переменной антропогенной нагрузки.
Продолжительность работ
2013, 6 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
10
Тема
Оценка опасных антропогенных воздействий на глобальную климатическую систему и прогнозирование региональных последствий изменения климата на территории России.
Продолжительность работ
2008, 3 мес.
Бюджетные средства
1,2 млн
Количество заявок
1
Тема
Разработка прикладного программного обеспечения по приоритетному направлению «Информационно-телекоммуникационные системы» в области пространственно-временной навигации и управления подвижными объектами.
Продолжительность работ
2008 - 2009, 8 мес.
Бюджетные средства
2,5 млн
Количество заявок
7
Тема
Разработка сценариев изменения климата на территории России с учетом углеродного цикла в живой и неживой природе и антропогенных воздействий для оценки рисков, потенциальных угроз и возможностей.
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
6 млн
Количество заявок
6
Тема
Разработка технологий мониторинга и прогнозирования антропогенных воздействий на климатическую систему, оценки экологических и экономических последствий изменения климата для Российской Федерации в условиях реализации Киотского протокола
Продолжительность работ
2005 - 2006, 23 мес.
Бюджетные средства
30 млн
Количество заявок
5