ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2007, № 6, с. 87-93
== РЕГИОНАЛЬНЫЕ ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ
УДК 551.482
НЕЙРОСЕТЕВАЯ МОДЕЛЬ ПРОГНОЗА ПАВОДКОВ НА МАЛЫХ РЕКАХ АДЫГЕИ
© 2007 г. Т. П. Варшанина, Д. В. Митусов, О. А. Плисенко, И. В. Стародуб
Адыгейский государственный университет Поступила в редакцию 20.12.2005 г.
Разработана нейросетевая модель прогноза паводков на реках Адыгеи. В качестве индикатора ситуаций повышенного риска паводков использован региональный градиент температуры воздуха.
Введение. Реки Республики Адыгея характеризуются значительной паводковой опасностью вследствие больших уклонов бассейнов в горной части (что обеспечивает резкое нарастание уровня воды при обильных осадках) и малым временем добегания паводковой волны (от истока до устья от 12 до 48 ч). Редкая сеть пунктов метеорологических и гидрологических наблюдений в горной части республики, где происходит формирование большинства паводков в регионе, не позволяет использовать стандартные методики прогнозирования, применяемые Росгидрометом. В силу этого возникла необходимость в разработке подхода оперативного прогнозирования катастрофических паводков на основании метеорологических и гидрологических данных ситуаций, расположенных в равнинной предгорной части Адыгеи и соседних регионов.
Формирование паводков - сложный ландшафт-но-гидрологический процесс, включающий "стадию подготовки", когда в речном бассейне формируются условия для экстремально интенсивного стока (повышается влажность почв, формируется дополнительный влагозапас в виде снега и т.п.), и стадию экстремального стока, во время которой при соответствующих гидрометеорологических условиях происходит скачкообразное возрастание уровня воды в реке. Продолжительность периода формирования паводка и процессы, вызывающие его, зависят от сезона года и гидрометеорологической ситуации. На Северо-Западном Кавказе в теплое время года паводки наблюдаются, как правило, при прохождении атмосферных фронтов, сопровождающихся выпадением обильных и интенсивных осадков. В зимний период кроме выпадения жидких осадков в формировании паводков важную роль играет обильное сне-готаянье, возникающее при прохождении теплых фронтов. Паводки нередко связаны с прохождением циклонических серий. На процесс формирования паводка значительное влияние оказывает также сезонная ритмика ландшафтных компонентов бассейна: почв, растительного покрова и
т.д., определяющая динамику впитывания и скорость добегания.
Прогнозирование паводков возможно на "стадии подготовки" в результате мониторинга гидрометеорологических ситуаций, определяющих экстремальное увеличение стока в речном бассейне. Заблаговременность и оправдываемость прогноза зависят от того, насколько детально учтены паводкоформирующие характеристики бассейна (расстояния от водораздела до реки, преобладающие уклоны, характер почв, облесен-ность и т.д.), условия сезона года и от того, насколько точно интерпретирована гидрометеорологическая ситуация в бассейне. То, что в расчеты включается большое количество параметров, затрудняет оперативность и оправдываемость прогноза, а нередко делает его невозможным из-за неполноты исходных данных.
Решение проблемы прогноза уровня паводка на малых реках, слабо обеспеченных гидрометеорологической информацией - на пути выявления системы индикаторов паводкоопасных ситуаций и разработки на их основе технологий прогноза с применением нейросетевых моделей. Нейросете-вые технологии позволяют при условии не полноты изначальных данных закладывать оценку взаимозависимости целиком, без ее разложения на части, моделируемые традиционным путем. В этом случае при моделировании дается описание имеющегося знания, детали которого "дорабатываются" эвристически, при обучении сети на полученных опытным путем данных. Такой подход используется при отсутствии возможности в деталях описать сложные геопространственные явления.
Паводковый режим рек Адыгеи. Катастрофические паводки на реках Адыгеи случаются в среднем один раз в два года. Повторяемость паводков характеризуется многолетней изменчивостью, которая обусловлена долгопериодически-ми колебаниями гидротермического поля региона со средним периодом 20 лет [1].
Наряду с долгопериодическими колебаниями гидротермического поля региона выявлены и ко-роткопериодические колебания (3-5 лет): пятилетний цикл изменения температуры (возрастание в течение 3 лет, затем снижение в течение 2 лет); цикл изменения количества осадков с периодичностью 3-5 лет.
По времени проявления на реках Адыгеи различают паводки: зимне-весенние (декабрь-март) -28%; весенне-летние (апрель-июнь) - 39%; летние (июль-сентябрь) - 11% и осенние (октябрь-ноябрь) - 22%. В большинстве случаев паводковые ситуации характерны для горных рек - Дах, Киша и рек, истоки и верхнее течение которых расположены в горной части, среднее и нижнее течение на равнине: Белая, Курджипс, Лаба, Фарс, Пшиш, Псекупс, Афипс. На равнинных реках (Улька, Айрюм, Гиага), сток которых зарегулирован, паводки - явление крайне редкое и наблюдается только при авариях на дамбах.
Формирование паводков имеет сезонную приуроченность, связанную с ландшафтно-климати-ческими особенностями бассейнов. В западной части республики в низкогорных бассейнах преобладают зимние паводки, а на равнине (р. Псекупс, Пшиш, Афипс) - осенние и зимне-весенние. В этой части республики формирование паводков обусловлено выпадением обильных осадков в сочетании с интенсивным снеготаяньем в низкого-рьях, связанных с вторжением теплых влажных черноморских воздушных масс в холодный период года. На притоках р. Белая, истоки которых расположены в средне-высокогорных карстовых массивах (Курджипс, Дах) отмечаются летние паводки. При большой площади карстового массива и наличии карстовых полостей в бассейне реки паводки наблюдаются исключительно летом (Курджипс). Притоки Лабы, у которых около половины площади бассейна приходится на горные территории (Фарс, Ходзь), наиболее паводко-опасны в весенне-летний сезон, хотя на них случались паводки и в феврале при выпадении обильных дождей и интенсивном снеготаяньи. Реки со сложными по ландшафтной структуре и большими по площади бассейнами: Кубань, Белая и Лаба характеризуются паводками во все сезоны года, однако локализация, интенсивность и характер протекания паводков имеют связь с ландшафтно-климатическими особенностями их бассейнов.
На реках Северо-Западного Кавказа паводки наблюдаются при следующих типах метеорологических ситуаций:
1) обильные осадки на протяжении декады в течение 3-5 сут. с перерывами в 1-2 сут. при положительной температуре воздуха с максимумом в течение суток перед паводком. Ситуация наблюдается во все сезоны на всех паводкоопасных реках, отмечается в 76% случаев;
2) обильные осадки в течение суток перед паводком при положительной температуре воздуха. Ситуация характерна для всех рек, однако наиболее ярко проявляется к востоку от р. Пшиш. Наблюдается преимущественно в летний период;
3) обильные осадки на протяжении декады в течение 3-5 сут. с перерывами в 1-2 сут. Максимум осадков в течение суток перед паводком. Резкое изменение среднесуточной температуры воздуха (5° и более) в течение декады от 1 до 3 раз. Ситуация характерна для рек, берущих начало в низкогорьях к западу от р. Пшиш, однако иногда наблюдается в бассейнах Белой и Лабы. Формируется преимущественно в зимний сезон;
4) резкое похолодание за 3-5 дней перед паводком на равнине, обильные осадки в горах на фоне положительной температуры воздуха. Ситуация характерна для рек с истоком в низкогорьях и устьем в равнинной части. Наблюдается крайне редко, преимущественно в декабре и марте;
5) обильные осадки на протяжении 2-3 сут. перед паводком. Максимум осадков за 24-48 ч до паводка. После максимума выпадения осадки продолжаются на фоне положительной температуры воздуха. Ситуация наблюдается во все сезоны года. Паводки характеризуются высоким уровнем и значительной продолжительностью;
6) в течение декады перед паводками несколько дней с перерывами наблюдаются осадки средней интенсивности, прекращающиеся за 1-3 дня до паводка. Паводки с такими ситуациями наблюдаются на реках с большой площадью карста в бассейне (Курджипс, Дах) в весенне-летний период (май-июнь) после зим с большим количеством снега. Паводки характеризуются относительно небольшим подъемом уровня воды при значительной продолжительности (1-2 дня).
Граничные условия формирования паводков имеют пространственные и сезонные особенности (см. таблицу). В зимнее время одним из граничных условий являются отрицательные температуры ниже определенного предела по всей территории (отсутствует снеготаянье, поэтому выпадение осадков любой интенсивности не приводит к паводкам). Для летнего периода граничным условием служит температура воздуха выше определенного предела (не характерно выпадение интенсивных осадков). Границы сезонов могут изменяться в отдельные годы в зависимости от предшествующей гидрометеорологической ситуации. Так, в годы со снежной зимой и прохладной весной паводки с весенне-летним механизмом формирования возможны до середины июля, теплой осенью и малоснежной зимой отсутствуют паводки, развивающиеся по зимнему сценарию.
Формирование паводков в условиях горно-равнинной территории, расположенной на границе умеренно-континентального и морского субтро-
Условия формирования паводков на реках Адыгеи
Период, Гидрометеорологические Условия формирования Граничные Район
месяцы условия сезона паводков условия
XII- -III Максимум осадков ноябрь-декабрь, tcc < 0°С, снежный покров, ледовые явления на реках 1. Обильные жидкие осадки, интенсивное снеготаянье 2. Обильное снеготаяние при резком потеплении 3. Ледовые заторы на реках гсс < 0°С, Чг < 0.17100 км или >3.5°/100 км 1.3
IV- -VI tcc = +9 ... +20° равнине и в низко-горьях, интенсивное снеготаянье в горах, летний (май-июнь) максимум осадков. Влажность почв близка к годовому максимуму 1. Обильные жидкие осадки 2. Снеготаянье в средне- и высокогорьях гсс < 9°С или >20°С, Чг < 0.17100 км или >+2.0°/100 км 2.3
VII- -IX tcc = +15 ... +22° на равнине и в низ-к
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.