ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 2, с. 161-174
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ ^^^^^^^^^^^^
И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.048
ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА С 323 MOPEX-ВОДОСБОРОВ1
© 2015 г. О. Н. Насонова, Е. М. Гусев, Г. В. Айзель
Институт водных проблем РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 3 E-mail: nasonova@aqua.laser.ru Поступила в редакцию 02.04.2013 г.
Подготовлено информационное обеспечение для 323 MOPEX-водосборов площадью порядка 10— 104 км2 для расчета гидрографов речного стока с использованием модели тепловлагообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой SWAP. Для каждого водосбора проведена автоматизированная оптимизация модельных параметров подстилающей поверхности на основе алгоритма SCE-UA поиска оптимума целевой функции, в качестве которой использовалась эффективность расчета суточного стока по Нэшу—Сатклифу, при условии, что систематическая ошибка расчета стока с водосбора не превышает 5%. Поиск оптимальных значений параметров осуществлялся в пределах заданных диапазонов, не противоречащих физическому смыслу параметров. Представлены результаты расчета суточных слоев стока с использованием полученных оптимальных параметров.
Ключевые слова: модель тепловлагообмена суши с атмосферой SWAP, дождевой сток, оптимизация параметров, водосборы MOPEX.
DOI: 10.7868/S0321059615020108
Для моделирования гидрографов речного стока в настоящее время используются различные гидрологические модели, а также модели тепловлагообмена подстилающей поверхности суши с атмосферой (Land Surface Models — LSMs). При этом оценка модельных параметров представляет собой весьма непростую задачу. В концептуальных моделях параметры, как правило, калибруются. В редких случаях какие-то параметры могут оцениваться априорно, в частности по эмпирическим связям с характеристиками водосбора или на основе анализа формы гидрографа измеренного стока. В физически обоснованных моделях параметры можно разделить на три группы. К первой группе относятся параметры, которые имеют физический смысл и могут быть непосредственно измерены, например плотность и пористость почвы, наименьшая влагоемкость, влажность за-вядания, коэффициент фильтрации, относительная площадь листьев LAI, альбедо подстилающей поверхности и т.п. Ко второй группе можно отнести параметры, которые также имеют физический смысл, но их значения могут быть определе-
1 Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ
(проект № 11-05-00015-а) и Министерства образования и
науки РФ (проект № 14.В25.31.0026).
ны только на основе данных измерений других характеристик, в частности параметр шероховатости растительного покрова и высота слоя вытеснения в LSM-моделях. Наконец, третья группа -используемые в любой модели эмпирические коэффициенты, которые можно оценить по данным измерений тех характеристик, для которых получены соответствующие эмпирические зависимости.
В любом из этих случаев определение значений параметров представляет собой весьма трудоемкий процесс, осложняемый еще и тем, что ряд параметров имеет сезонный (параметр шероховатости растительного покрова, LAI) и даже суточный (альбедо) ход, к тому же многие параметры характеризуются существенной пространственной изменчивостью, в то время как измерения являются точечными. Поэтому даже в случае надежного измерения параметров некоторая неопределенность, связанная с их временной и пространственной изменчивостью, неизбежно остается. Кроме того, эти измерения носят эпизодический характер и не охватывают всей поверхности суши земного шара. Как правило, они проводятся на немногочисленных экспериментальных полигонах. В результате для большинства районов земного шара оценка параметров почвы
и растительного покрова представляет собой немалую проблему. Отчасти она может быть решена, как было отмечено выше, посредством калибровки ряда параметров, наиболее влияющих на результаты модельных расчетов, по имеющимся данным гидрометеорологических измерений. Так, при моделировании гидрографа стока калибровка параметров может осуществляться по результатам измерений стока с водосбора или речного бассейна. Однако в тех районах, где гидрометеорологические измерения отсутствуют, подобная калибровка невозможна.
Все эти проблемы породили ряд международных проектов, направленных на решение задач априорной оценки модельных параметров (проект Model Parameter Estimation Experiment — MOPEX) [15] и моделирования стока для бассейнов, плохо обеспеченных данными наблюдений (Predictions in Ungauged Basins — PUB) [13, 27], когда калибровка параметров невозможна. Авторы данной работы — участники проекта MOPEX. На первом этапе этого проекта исследования проводились на 12 экспериментальных водосборах [6, 15]. Очевидно, что столь ограниченное количество модельных объектов не позволило решить поставленные задачи, но были намечены возможные пути их решения. На следующем этапе в рамках MOPEX были подготовлены материалы по обширной сети речных водосборов [26], часть которых и была использована в настоящей работе.
Стратегическая цель настоящих исследований авторов — априорная оценка модельных параметров подстилающей поверхности для получения гидрографов стока (с использованием LSM-мо-дели SWAP) с бассейнов при недостаточной исходной информации, т.е. авторы предполагают внести свой вклад в решение задач, поставленных в проектах MOPEX и PUB. В данной статье представлены результаты начального этапа исследований. В ней описаны модельные объекты — 323 экспериментальных MOPEX-водосбора, расположенные на территории США, подготовка исходной информации и, главное, получение оптимальных значений параметров подстилающей поверхности для каждого водосбора.
Необходимость получения оптимальных значений параметров для большого числа водосборов определяется тем, что это дает возможность перейти к следующему этапу исследований — поиску связи модельных параметров с некоторым набором интегральных предикторов (климатических, почвенных, растительного покрова, геоморфологических и т.д.) для каждого водосбора, которые не используются в модели, но по кото-
рым имеется легко доступная информация. Математическая формализация подобных связей позволит переходить от значений указанных предикторов к параметрам водосборов, непосредственно использующимся в модели, и рассчитывать гидрографы стока, а также другие составляющие водного баланса водосборов при их недостаточном информационном обеспечении.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
LSM модель SWAP — физико-математическая модель, описывающая процессы тепло- и влаго-обмена в системе почва—растительный/снежный покров—приземный слой атмосферы (SVAS: Soil—Vegetation—Atmosphere System). Детальное описание различных версий модели SWAP и результатов их проверки можно найти в целом ряде отечественных и зарубежных публикаций [например, 1—5, 7, 18—21], поэтому нет необходимости останавливаться на этом. Отметим лишь, что в последней версии модели SWAP рассматриваются следующие процессы: перехват жидких и твердых осадков растительностью; испарение, таяние и замерзание перехваченных осадков, в том числе повторное замерзание талой воды; формирование снежного покрова под пологом леса и на открытых участках; формирование поверхностной и подземной составляющих стока; впитывание воды в почву; формирование водного баланса зоны аэрации, включающее в себя транспира-цию, испарение с почвы, водообмен с нижележащими слоями и динамику почвенных влагозапа-сов; динамика уровня грунтовых вод; формирование теплового баланса и температурного режима SVAS; промерзание и оттаивание почвы.
Модель может применяться для расчетов в различных масштабах — от локального до глобального. Переход от локальной версии к ее крупномасштабному аналогу основан на явном учете неоднородности подстилающей поверхности с помощью сеточной схематизации рассматриваемого объекта (водосбора, речного бассейна или региона), т.е. разделения его на ячейки, соединенные речной сетью. Расчет по модели осуществляется для каждой ячейки сетки, независимо от других ячеек. Затем рассчитанные характеристики (за исключением стока) осредняются по ячейкам. Для получения гидрографа стока на выходе из ячейки или в каком-либо створе речного русла рассчитанные для каждой ячейки значения поверхностного и подземного стоков (представляющие собой мгновенный сток в центре расчетной ячейки) трансформируются с учетом времени добегания. Трансформация стока в пределах ячейки прово-
120° 110° 100° 0 80° 70° з.,
Рис. 1. Расположение 323 MOPEX-водосборов на территории США.
дится на основе уравнения двумерной кинематической волны, а в речной сети — с использованием простой линейной модели формирования водного баланса в русле.
Модель SWAP прошла многочисленные проверки с использованием материалов многолетних наблюдений, полученных в различных природных условиях, для точечных и протяженных объектов (экспериментальных площадок и полигонов, водосборов и речных бассейнов размерами от 10-1 до 105 км2). Результаты проверок показали, что SWAP способна адекватно воспроизводить годовую и межгодовую динамику различных гидротермических характеристик. Причем при высоком качестве исходной информации приемлемую точность расчета можно получить и без калибровки модельных параметров.
МОДЕЛЬНЫЕ ОБЪЕКТЫ
Для выполнения поставленных задач использовались данные 323 речных водосборов, входящих в перечень предложенных организаторами проекта МОРЕХ (рис. 1) [26]. Площади водосборов варьируют в диапазоне от 70 до 10300 км2, при этом 149 водосборов имеют площадь менее 2000 км2, 104 водосбора — от 2000 до 5000 км2 и 70 водосборов — свыше 5000 км2. Водосборы неравномерно распределены по территории США. Плотность их распространения снижается от побережий к центральной части страны. Средняя высота над уров-
нем моря изменяется от 17 до 2740 м, у 2/3 водосборов она <500 м.
Исследуемые водосборы характеризуются большим разнообразием природных условий — от подзоны тропических пустынь на юго-западе до подзоны влажных субтропиков восточного побережья. Растительность представлена луговыми и кустарниковыми сообществами, сельскохозяйстве
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.