14.604.21.0050 от 23.06.2014. Разработка компьютерной системы оперативного прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря. 2014-2015.

«РЕАЛИЗАЦИЯ ПРИКЛАДНЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РАЗРАБОТОК ПО ПРИОРИТЕТНОМУ НАПРАВЛЕНИЮ «РАЦИОНАЛЬНОЕ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ» в 2014 году в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014 – 2020 годы»:

Cоглашение о предоставлении субсидии от 23 июня 2014 г. №14.604.21.0050 с Минобрнауки России в рамках Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы»

Наименование темы: «Разработка компьютерной системы оперативного прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря»

N г/р 114061970040.
Руководитель проекта: Бердников Сергей Владимирович, д.г.н., заместитель председателя ЮНЦ РАН

Цель проекта:

Разработка комплекса научных и научно-технических решений, направленных на создание программного аппарата оперативного прогнозирования и поддержки принятия решений для оценки рисков при возникновении опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря и предупреждения органов местного самоуправления, населения и предприятий.

Описание проекта:

Проект направлен на разработку экспериментального образца программного комплекса оперативного прогнозирования (ПК «EX-MARE») опасных:

- гидрологических явлений на реках Западного Кавказа;

- нагонных явлений в дельте Дона;

- штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря;

- ледовых явлений в Азовском море;

а также для:

- выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей в районах рекреации и обеспечения водой, оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах;

- прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.

Ожидаемые результаты выполнения работ по проекту в целом:

Методы и экспериментальный образец программного комплекса для:

- прогнозирования и оценки риска опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа.

- прогнозирования и оценки риска опасных нагонных явлений в дельте Дона.

- оценки опасных штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря.

- прогнозирования ледовитости и толщины льда в Азовском море.

- выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей в районах рекреации и обеспечения водой в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах.

- оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах.

- прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.

Этап №1. Выбор направления исследований. Теоретические исследования поставленных перед ПНИ задач

На этапе № 1 в период с 23 июня 2014 г. по 31 декабря 2014 г. за счет средств субсидии выполнялись следующие работы:

1. Аналитический обзор и патентные исследования.

2. Разработка методов прогнозирования и оценки риска опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа, опасных нагонных явлений в дельте Дона, методов оценки опасных штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря, прогнозирования ледовитости и толщины льда в Азовском море, методов выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей, оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах, прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.

3. Полевые исследования в бассейне реки Адагум, в дельте Дона, в береговой зоне Азовского моря.

4. Разработка основных принципов и подходов к созданию ПК «EX-MARE».

Получены следующие результаты:

1. Отчет о патентных исследованиях.

2. Измерены морфометрические характеристики в створах, оборудованных постами наблюдения за уровнем рек в бассейне р. Адагум.

3. В дельте Дона получены новые данные о гидрологическом режиме в период сильного нагона (24 сентября 2014 года самый большой за последние 100 лет), сгона и нормального уровня воды.

4. Участники проекта выступили с докладами на конференциях: «Экология. Экономика. Информатика» п. Абрау-Дюрсо; «Керченский пролив: безопасность коммуникаций в XXI веке» г. Ростов-на-Дону; «16th international workshop on Computer science and information technologies» г. Шеффилд (Великобритания).

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

Этап №2. Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач

На этапе № 2 в период с 1 января 2015 г. по 30 июня 2015 г. за счет средств субсидии выполнялись следующие работы:

1. Полевые исследования в акватории Азовского моря в зимний период.

2. Разработка экспериментального образца программного комплекса (ЭО ПК) «EX-MARE», включающего составные компоненты (части), реализующие методы, указанные в п. 3.7 Технического задания.

3. Разработка Программы и методики экспериментальных исследований ЭО ПК «EX-MARE».

4. Экспериментальная проверка ЭО ПК «EX-MARE» по разработанной Программе и методикам экспериментальных исследований:

- для случаев экстремального паводка в июле 2012 г. на реке Адагум;

- для случаев экстремальных и сильных нагонов по данным наблюдений на постах «Донской» и «Кагальник» (гирло Свиное, дельта реки Дон) в период 2010-2013 гг.;

- для отдельных участков береговой зоны Азовского моря, подверженных сильной абразии;

- для случаев экстремальных ледовых условия в Азовском море в период 2008-2013 гг.

Получены следующие результаты:

1. Разработаны методы прогнозирования и оценки риска опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа, опасных нагонных явлений в дельте Дона, опасных штормовых явлений в береговой зоне Азовского моря, методы прогнозирования ледовитости и толщины льда в Азовском море, методы выявления зон с повышенным уровнем «цветения» одноклеточных водорослей, методы оценки риска возникновения зон гипоксии в Азовском море, Цимлянском и Краснодарском водохранилищах, методы прогнозирования загрязнения нефтью побережья Азовского моря в случае аварийных разливов при транспортировке судами.

2. Разработан ЭО ПК «EX-MARE», в состав которого вошли компоненты, реализующие перечисленные выше методы.

3. Разработана Программа и методики экспериментальных исследований ЭО ПК «EX-MARE», в соответствии с которыми проведена экспериментальная проверка следующих компонент: «Дождевые паводки», «Нагонные явления», «Штормовые явления», «Ледовые явления».

4. Проведены экспедиционные исследования в бассейне р. Адагум, в дельте р. Дон на гидрологическом посту «Донской», в береговой зоне Азовского моря и в акватории Азовского моря в зимний период, в ходе которых собран экспериментальные данные для калибровки и верификации математических моделей, используемых в ЭО ПК «EX-MARE».

В результате взаимодействия с индустриальным партнером в пункте «Донской» установлен измерительный комплекс ЭМЕРСИТ-М35, оснащенный уровнемером и датчиками основных метеопараметров.

5. В ходе экспериментальной проверки компонента «Дождевые паводки» была выполнена реконструкция экстремального паводка 6-7 июля 2012 года в бассейне р. Адагум. Полученные результаты модельных расчетов расходов и уровней в разных гидрологических створах реки находятся в пределах оценочных значений: в створе автомобильного моста г. Крымск по ул. Новороссийской расчетный максимальный расход 1900 м3/с и уровень 8 м находятся в пределах экспертных оценок, полученных по результатам экспедиционных исследований, проведенных после катастрофического паводка. Параметры гидрологических моделей компонента «Дождевые паводки» откалиброваны по данным наблюдений системы мониторинга паводковых ситуаций Краснодарского края. Показана чувствительность выбранного метода прогноза паводковых ситуаций к используемой цифровой модели местности, учитывающей существующие сооружения.

Индустриальным партнером проведено тестирование компонента «Дождевые паводки», по результатам которого установлено нулевое отклонение результатов расчетов, выполненных Индустриальным партнером самостоятельно, и предоставленных ему Получателем субсидии; соответствие компонента требованиям пп. 4.1.1.1, 4.2.1.1 ТЗ.

Компонент «Дождевые паводки» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует для гидрологических расчётов программные комплексы HEC-HMS, HEC-RAS; использует метеорологические прогнозы, данные системы мониторинга паводковой ситуации Краснодарского края; цифровую модель рельефа местности; осуществляет расчёт уровня и расхода воды, ширины и скорости водного потока для условий интенсивных осадков, а также зоны затопления.

6. В ходе экспериментальной проверки компонента «Нагонные явления» рассмотрены два случая экстремальных нагонов в дельте Дона, имевших место в период 2010-2013 гг. Ошибка на первые 24 ч расчёта составила 19,7%. Для калибровки параметров модели использовались данные наблюдений с уровнемера, установленного на гидрологическом посту «Донской».

Компонент «Нагонные явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует данные системы мониторинга паводковой ситуации Краснодарского края, метеорологические прогнозы; использует для расчёта уровня поверхности моря трехмерную гидрологическую модель Азовского моря и Принстонскую океанографическую модель, адаптированную к условиям Азовского моря; использует при этих расчётах ЦКП ЮФУ «Высокопроизводительные вычисления»; осуществляет расчёт нагонных повышений уровня в дельте реки Дон (при ошибке, не превышающей 20% для первых 24 часов расчёта в режиме прогнозирования) и формирование карт риска затопления дельты реки Дон.

По результатам работ опубликована статья: Матишов Г.Г., Бердников С.В. Экстремальное затопление дельты Дона весной 2013 г. // Известия РАН. Серия географическая. М.:Наука, 2015. – №1 – С.111-118. В публикации разработана классификация нагонных явлений, а также подробно описан случай экстремального нагона, который произошел 24-25 марта 2013 года, информация о котором использована при экспериментальной проверке компонента «Нагонные явления» ЭО ПК «EX-MARE».

7. В компоненте «Штормовые явления» разработана трехуровневая технология вложенных сеток для модели SWAN, позволяющая детализировать расчеты волновой нагрузки на отдельные участки береговой линии. В результате экспериментальной проверки компонента составлены карты ожидаемой интенсивности абразионных процессов Весёло-Вознесенского района по методике Морского гидрофизического института (МГИ, г. Севастополь).

Компонент «Штормовые явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует метеорологические прогнозы; использует для расчёта уровня поверхности моря трехмерную гидрологическую модель Азовского моря и Принстонскую океанографическую модель, адаптированную к условиям Азовского моря; использует при этих расчётах ЦКП ЮФУ «Высокопроизводительные вычисления»; использует для расчёта параметров волнения программу SWAN; использует для расчёта воздействия волнения на береговую зону методику расчёта ударных волновых нагрузок, разработанную в МГИ; обеспечивает формирование карт параметров волнения 50%, 10% и 1% обеспеченности и карт интенсивности абразионных процессов.

8. При экспериментальной проверке компонента «Ледовые явления» рассматривались экстремальные ледовые условия за период 2008-2013 гг. Для калибровки параметров модели и проверки адекватности модельного расчёта были использованы: архив картосхем ледовой обстановки НИЦ Планета, данные наблюдений на научно-экспедиционной базе ЮНЦ РАН «Кагальник» и экспедиционные наблюдения в Таганрогском заливе 19-20 февраля 2015 г. Показано, что модель адекватно отражает изменения температурного режима моря, а также обеспечивает составление оперативных прогнозов (до 72 часов) толщины льда и ледовитости Азовского моря.

Компонент «Ледовые явления» удовлетворяет техническим требованиям ТЗ, а именно: использует для расчёта ледовитости и толщины льда компартментальную гидрологическую модель Азовского моря; использует метеорологические прогнозы, а также данные ДЗЗ для корректировки параметров модели; обеспечивает выполнение прогнозных расчётов и формирование картосхемы ледовитости и толщины льда.

9. Все полученные в рамках данного этапа результаты являются новыми с точки зрения решения поставленной проблемы и достижения цели ПНИ применительно к задачам краткосрочного (оперативного) прогнозирования опасных природных явлений в бассейне, береговой зоне и акватории Азовского моря.

В рамках ПНИ используются программные средства, широко применяемые в мировой практике для решения аналогичных задач: программный комплекс гидрологического моделирования HEC-HMS 4, принстонская океанографическая модель (POM), программный комплекс для расчета параметров волнения в мелком море SWAN 40.85, геоинформационная система ArcGIS 10. Права третьих лиц при использовании данных программных комплексов не нарушаются.

Охраноспособные результаты интеллектуальной деятельности (РИД), полученные в рамках прикладного научного исследования и экспериментальной разработки.

Создание охраноспособных результатов интеллектуальной деятельности на 2 этапе не предусмотрено проектом.

Назначение и область применения результатов проекта:

1. Полученные в ходе ПНИ результаты могут быть использованы в области моделирования гидрологических и океанологических процессов в качестве научного обеспечения создания новых технологий предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.

2. В настоящее время Министерство гражданской обороны, чрезвычайных ситуаций и региональной безопасности Краснодарского края разрабатывает «Региональную автоматизированную систему оперативного контроля и мониторинга». Предполагается, что разработанные в рамках ПНИ компоненты ЭО ПК «EX-MARE» найдут практическое внедрение в рамках этой системы в качестве автоматизированных рабочих мест для контроля риска возникновения опасных гидрологических явлений на реках Западного Кавказа при экстремальных дождевых паводках и опасных нагонных явлений в Азовском море.

3. Реализация проекта в полном объеме должна: предоставить региональным организациям МЧС новых и эффективных методов и средств для прогнозирования опасных природных явлении; способствовать повышению надежности при принятии решений об информировании населения и предприятий об ожидаемых опасных природных явлениях, тем самым снижать возможный социально-экономический ущерб; повысить эффективность использования развиваемой в регионе автоматизированной системы мониторинга опасных гидрологических процессов (паводки, сгоны-нагоны, волнения); выявить зоны повышенной опасности для здоровья населения и народного хозяйства.

Эффекты от внедрения результатов проекта:

Минимизация экономического ущерба и сокращение сил и бюджетных средств для ликвидации последствий опасных природных явлений за счет использования оперативной системы прогнозирования опасных природных явлений, реализующей разработанные в ходе проекта методы.

Формы и объемы коммерциализации результатов проекта:

Возможной формой коммерциализации результатов проекта является оснащение разрабатываемой в Краснодарском крае «Региональной автоматизированной системы оперативного контроля и мониторинга» автоматизированными рабочими местами для контроля риска возникновения опасных природных явлений.

Согласно ТЗ технико-экономическая оценка рыночного потенциала результатов ПНИ будет проведена на 3-м этапе работ.

Наличие соисполнителей:

Соисполнители работ по проекту отсутствуют.

Комиссия Минобрнауки России признала обязательства по Соглашению на отчетном этапе исполненными надлежащим образом.

---