Калибровка и верификация моделей затопления речных долин на основе космических снимков

Основой для моделирования затопления территории при наводнениях на реках являются одномерные и двумерные модели движения водных потоков, в основу которых положено решение уравнений Сен-Венана в одномерной и двумерной схематизации соответственно. В качестве исходных данных для рассматриваемых моделей необходима детальная информация о рельефе русел и пойм. Для одномерной модели она представляется в виде поперечных профилей через долину реки, для двумерной – в виде поля точек. При моделировании во входных створах задаются расходы воды, в замыкающем створе – уровни воды. Результатами расчетов по одномерной модели являются ход уровней водной поверхности и расходов воды по времени в пределах расчетного участка. Двумерные модели дают более детальную картину затопления - плановую картину распределения скоростей течения, уровней и глубин воды в пределах расчетной области.
Обычно калибровка моделей движения водных потоков выполняется путем подбора коэффициентов шероховатости русел и пойм на основе данных об уровнях воды, а для двумерных моделей также об измеренных скоростях течения. Верификация – проверка модели на независимом материале проводится также на основе сопоставления расчетных и фактических данных об уровнях воды и скоростях течения, не использовавшихся при калибровке.
Автором разработан и используется дополнительный способ калибровки и верификации гидродинамических моделей – по данным о границах затопления с космических снимков. При наличии космических снимков среднего и высокого разрешения (выше 30м) и входной гидрологической информации для модели за те же даты, появляется возможность сопоставить расчетные и реально наблюдавшиеся (полученные с космических снимков) границы затопления территории. По результатам сопоставления проводится оценка того, насколько близка полученная по модели картина затопления к реальной, и, при необходимости, уточняются высотные отметки и границы отдельных проток и участков пойм, информации о которых недостаточно на топографических картах.
При верификации двумерных моделей затопления речных долин в узле слияния рек Сухоны и Юга (г. Великий Устюг) и поймы р. Оби у г. Колпашево, разработанных на основе программного комплекса "River" (авт. Беликов В.В. и др.), было выявлено, что при высоких уровнях воды совпадение рассчитанных по модели и полученных с космических снимков площадей затопления очень хорошее – погрешность около 10%. При более низких уровнях воды на снимках четко прослеживается сложный гривистый рельеф поймы, информации о котором нет даже на крупномасштабных топографических картах, поэтому модель завышает площади затопленных участков там, где над водой выступают узкие гривы, не отраженные в картографической информации, при этом хорошо отражает общие контуры затопления.
Для определения границ затопления при использовании одномерной модели "MIKE11" для Горьковского и Чебоксарского водохранилищ р. Волги проводилось сопоставление смоделированных отметок водной поверхности и фактических отметок дна, уровни воды на каждом расчетном профиле принимались постоянными, а между профилями определялись путем интерполяции. Сравнение рассчитанных по модели и фактических границ затопления показало, что даже в рамках одномерного гидродинамического моделирования для протяженных участков реки, при наличии информации о рельефе речных долин, возможно получить близкую к реальной картину затопления. Различие рассчитанных по модели и полученных по космическим снимкам площадей затопления составляет 5-11%.
Приведенный опыт использования космических снимков показывает, что они могут служить мощным дополнительным инструментом при моделировании затопления территории, позволяющем повысить надежность расчетов по гидродинамической модели.

Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых МК-7722.2010.5