авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ГИДРОЛОГИИ (на примере разработки моделей формирования и рационального использования водных ресурсов Ангаро-Байкальского

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Игнатов Анатолий Васильевич

ИНФОРМАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

В ГИДРОЛОГИИ

(на примере разработки моделей формирования и рационального использования водных ресурсов Ангаро-Байкальского бассейна)

Специальность 25.00.27 гидрология суши,

водные ресурсы, гидрохимия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора географических наук

Иркутск - 2006 г

Работа выполнена в Институте географии им. В.Б.Сочавы СО РАН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Аргучинцев Валерий Куприянович

доктор географических наук, с.н.с.

Мизандронцев Игорь Борисович

доктор географических наук, профессор

Науменко Михаил Арсеньевич

Ведущая организация: Российский государственный

гидрометеорологический университет

Защита диссертации состоится 2 марта 2006 года в 10 час на заседании

диссертационного совета Д 003.010.01 при Институте географии имени В.Б.Сочавы СО РАН по адресу: 6664033, г.Иркутск, ул.Улан-Баторская, д.1.

С диссертацией можно ознакомиться:

в библиотеке Института географии им. В.Б.Сочавы СО РАН,

на странице Интернет http://irigs.irk.ru/docs/adiss/Ignatov.doc

Автореферат разослан 17 января 2006 года.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять ученому секретарю диссертационного совета Д 003.010.01

Рыжову Юрию Викторовичу по адресу: 6664033, г. Иркутск,

ул.Улан-Баторская, д.1, Институт географии им. В.Б.Сочавы СО РАН.

Факс: (8-3952)-42-27-17. E-mail: postman@irigs.irk.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 003.010.01,

кандидат географических наук Рыжов Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время в гидрологии по-прежнему злободневными остаются вопросы изучения закономерностей формирования и прогнозирования водных ресурсов. Все более значимыми становятся также проблемы их рационального использования и защиты от загрязнения, разрешения конфликтных ситуаций между водопользователями. Успешное продвижение вперед в этой области требует совместного учета большого количества данных и применения методов, позволяющих находить наиболее объективные и наилучшие, в определенном смысле, решения. Значительную помощь в этом плане оказывает разработка различных моделей, позволяющих системно организовать имеющуюся информацию.

В гидрологической литературе можно выделить два основных типа описываемых математических моделей: детерминированные (физико - математические или динамические) и стохастические. Разработки моделей первого типа связаны с именами таких известных исследователей как Бураков Д.А., Виноградов Ю.Б., Кондратьев С.А., Кучмент Л.С. Модели второго типа в своих работах использовали Болгов М.В, Раткович Д.Я., Сванидзе Г.Г., Рождественский А.В., Шелутко В.А., Van Gelder и другие. Модели первой группы строятся в предположении того, что существуют и могут быть математически записаны физические законы, однозначно определяющие значения гидрологических характеристик на водосборе в зависимости от задаваемых внешних воздействий. Во второй группе моделей гидрологические переменные рассматриваются как случайные величины с известными распределениями или как случайные процессы стандартизованного типа, параметры которых следует определить по данным наблюдений. Промежуточным вариантом между двумя основными типами являются динамико-стохастические модели. Они представляют собой описание детерминированных зависимостей выходных переменных от задаваемых случайным образом входных и позволяют методом статистических испытаний оценивать вероятностные распределения гидрологических характеристик. Их разработкой занимались Великанов М.А, Гельфан А.Н., Кучмент Л.С., Рождественский А.В., Тихомирова А.А, Гарцман Б.И. и др. Общей чертой перечисленных типов моделей является требование математической строгости постановки задач и применяемых методов их исследования. Это обстоятельство не всегда позволяет корректно использовать для моделирования реальные данные, не укладывающиеся в принятые математические допущения, и создает определенные трудности в использовании этого метода специалистами географического профиля, не владеющими достаточно свободно сложными математическими абстракциями.

Современный уровень развития географической науки характеризуется широким внедрением электронной информатики во все ее разделы. Многократно возросшие технические возможности накопления и обработки информации не могут быть эффективно использованы без разработки методов и программных средств, предназначенных для решения как общих, так и специфических для каждой конкретной области науки задач. Потребности в постановке и возрастающие возможности анализа теоретических и практических проблем стимулируют развитие новых, основывающихся на различных идеологиях, подходов к их решению. Такие предложения можно найти в работах Аверкина А.Н, Алефельда Г. и Херцбергера Ю., Воробьева В.И. и Грибунина В.Г.; Джефферса Д.; Коваленко В.В., Кучмента Л.С., Нейлора К., Питенко А.А, Черкашина А.К., Masters T., Solomatine D.P.

Перечисленные обстоятельства обусловливают актуальность настоящего исследования, посвященного разработке адаптированных к специфике гидрологических и других географических данных методов моделирования, опирающихся на сравнительно простой и знакомый широкому кругу исследователей математический аппарат теории вероятностей и математической статистики и ориентированных на интенсивное использование современной компьютерной техники. Основное отличие предлагаемого подхода от существующих состоит в придании существенно большего значения информационному содержанию моделей и использовании вытекающих из этого методических следствий. Возможности разрабатываемой технологии демонстрируются на примере создания моделей, предназначенных для решения фундаментальных и прикладных задач в области гидрологии и водопользования.

Объект, предмет и методы исследования

Географическим объектом данного исследования являются реки и речные бассейны Байкальского региона. Предмет исследования составляют процессы формирования объемов стока и качества воды, проблемы прогнозирования динамики параметров рассматриваемых водных объектов и поиска способов оптимизации использования их ресурсов. Основными методами, используемыми в работе, являются статистический анализ данных, математическое и компьютерное моделирование.

Цель и задачи работы

Целью работы является изучение и моделирование закономерностей гидрологических процессов в Ангаро-Байкальском бассейне. Спецификой исследования является использование и развитие информационного подхода к построению моделей.

Для достижения поставленной цели решались задачи:

  • определения основных концептуальных положений информационного моделирования;
  • развития вероятностных методов и создания программных средств, предназначенных для поиска и анализа взаимосвязей между измеряемыми характеристиками природных объектов;
  • совершенствования алгоритмов исследования динамики и совместного прогнозирования временных рядов;
  • исследования закономерностей и моделирования сезонной изменчивости стока рек – притоков Байкала;
  • прогнозирования межгодовой изменчивости суммарного стока в озеро Байкал;
  • оптимизации регулирования расхода реки Ангары в створах плотин гидроэлектростанций;
  • моделирования динамики распространения загрязняющих веществ при оценке последствий антропогенного воздействия на поверхностные воды.

Научная новизна работы состоит:

  • в формулировке ряда понятий, принципов и технологических элементов информационного моделирования;
  • в разработке специфических методов и программных средств для анализа данных наблюдений, использующих в явном виде сведения об их точности и достоверности;
  • в создании группы оригинальных математических, вероятностных и имитационных моделей гидрологических процессов и в приложении их к решению достаточно большого круга задач, связанных с изучением закономерностей формирования и рационального использования водных ресурсов Байкальского региона.

В рамках работы впервые:

  • разработаны алгоритмы, основанные на вероятностном описании значений переменных и их зависимости от своих аргументов, предназначенные для многомерного статистического анализа нерегулярных данных о совместных значениях параметров природных систем;
  • предложены методы совместного вероятностного моделирования и прогнозирования временных рядов;
  • созданы программные средства, реализующие названные методы и алгоритмы;
  • по оригинальным авторским методикам проанализированы материалы о сезонной динамике и пространственной изменчивости климатических, гидрологических и ландшафтных характеристик тридцати двух водосборных бассейнов, расположенных в Байкальском регионе, и сделаны выводы о закономерностях и особенностях формирования стока в замыкающих их створах;
        • с использованием различных подходов и моделей оценены возможности прогнозирования геодинамических рядов по материалам их наблюдений в прошлом, выделены наиболее эффективные методы, сделаны предсказания суммарного притока в озеро Байкал;
        • предложены: модельное обеспечение, варианты постановки и алгоритмы решения задачи регулирования стока реки Ангары в створах ГЭС в интересах многих водопользователей;
        • разработан ряд имитационных моделей, предназначенных для расчета динамики распространения примесей на сложных в гидрологическом отношении участках водных объектов в задачах оценки антропогенного воздействия на окружающую среду.

Практическая значимость

Результаты работы были успешно применены в практических задачах:

  • создания информационной системы «Чистая Ангара»;
  • анализа динамики восстановления структуры лесов после пожаров и вырубок в бассейне реки Голоустной;
  • прогнозирования вероятного загрязнения воды при строительстве переходов трубопроводов через реки Ангару и Верхнюю Ангару;
  • оценки воздействия на реку Ангару и Братское водохранилище нормативных и аварийных стоков загрязняющих веществ с золоотвалов Иркутских ТЭЦ-1 и ТЭЦ-6;
  • разработки системы мониторинга для модельной территории;
  • обучения студентов географического факультета Иркутского государственного университета и Саратовского военного института радиационной, химической и биологической защиты.

Апробация работы

Результаты проведенных исследований докладывались на различных совещаниях, в частности: на прогнозной комиссии ВСФ СО РАН (Иркутск, 1981, 1985), на научной школе по математическому моделированию в проблемах рационального природопользования (Ростов-на-Дону, 1988), на совещании по проблемам экологии Прибайкалья (Байкальск, 1990 г), на шестых научных чтениях памяти академика В.Б.Сочавы (Иркутск, 1995), на конференции «Водные ресурсы Байкальского региона: проблемы формирования и использования на рубеже тысячелетий» (Иркутск, 1998), на совещании по оптимизации природопользования в Прибайкалье (Иркутск,1999), на российско-германском семинаре по проблемам оценки воздействия на окружающую среду и экологической экспертизы (Иркутск, 2002 г), на конференции по моделированию географических систем (Иркутск, 2004), на совещании по прикладной географии (Иркутск, 2005), на конференции по фундаментальным проблемам изучения использования воды и водных ресурсов (Иркутск, 2005), на конференции «Основные факторы и закономерности формирования дельт и их роль в функционировании водно-болотных экосистем в различных ландшафтных зонах» (Улан-Удэ, 2005), на ежегодных научных сессиях Института географии СО РАН, на семинарах в различных научных и учебных организациях городов Иркутска, Москвы и Санкт-Петербурга.

Публикации

Содержание диссертации опубликовано более чем в 30 научных работах. Основными из них являются 4 монографии и 11 статей. Созданы три программных пакета, распространяемых на дискетах и лазерных дисках. Материалы, входящие в состав работы, с мая 2004 года выставлены в Интернет.

Личный вклад автора

Основная часть работы выполнена в лаборатории гидрологии и климатологии института географии СО РАН (зав.лаб. д.г.н. Антипов А.Н.) в рамках ряда бюджетных и хоздоговорных тем, интеграционного проекта №191 ФЦП «Интеграция», гранта РФФИ №97-05-964411, проектов ГЭФ №IO20003-S2 и № IO20006-S5. Автором лично разработаны принципы, модели, методы и алгоритмы, описанные в диссертации. Разработка программных средств, форматов задания входных данных и форм выдачи результатов, описываемых в главах 3 и 5, производилась в соавторстве с В.В.Кравченко. В сборе и подготовке исходных материалов для задач, описанных в главах 2-5, принимали участие различные специалисты Института географии СО РАН и других организаций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка ссылок. Главы разделены на параграфы, параграфы - на пункты. Текст диссертации напечатан на 271 странице и содержит 103 рисунка и 28 таблиц. Список использованных источников включает в себя 207 ссылок на отечественные и зарубежные публикации и страницы в Интернет.

В первой главе рассматриваются методологические вопросы моделирования, вытекающие из его представления как процесса целевого накопления и преобразования информации об объекте исследования. Ее результатом является формулировка ряда основных положений информационного моделирования.

Вторая глава посвящена анализу и моделированию сезонной динамики гидрологических параметров речных бассейнов. При решении этой задачи использованы разработанные автором методы и программные средства, предназначенные для обработки и анализа эмпирических данных с учетом их точности и достоверности. В результате выполнения этой работы получены новые оценки ряда параметров речных бассейнов, уточнены пространственные и ландшафтные особенности формирования годового и месячного стока.

В третьей главе подробно обсуждаются вопросы прогнозирования геодинамических процессов по материалам наблюдений за их изменчивостью в прошлом. Проанализированы существующие и предложены новые подходы к решению этой задачи. С применением разных подходов составлены прогнозы долговременной тенденции изменения притока в озеро Байкал. Проанализированы различные способы и оценены возможности составления практически значимых прогнозов годовых характеристик стока на ближайшие годы, следующие за окончанием периода наблюдений.

Четвертая глава посвящена проблемам оптимального управления водными ресурсами реки Ангары и их информационно-модельному обеспечению. Рассмотрены различные варианты задачи регулирования расходов в створах ангарских ГЭС в интересах многих водопользователей. Обсуждены принципиальные положения алгоритмов решения этой задачи.

В пятой главе информационный подход применен к задачам моделирования распространения загрязняющих веществ в водной среде. В результате получены детальные расчетные оценки динамики изменения качества воды в рассматриваемых водных объектах при поступлении в них нормативных или аварийных сбросов от проектируемых или действующих предприятий.

Благодарности

Автор благодарит своих коллег, в первую очередь, кандидатов географических наук Кравченко В.В и Федорова В.Н. за конструктивное сотрудничество и критические замечания, позволившие ему в рамках совместных исследований собрать необходимые данные, уточнить формулировки теоретических положений, усовершенствовать методические приемы и получить практически значимые результаты работы. Автор выражает благодарность докторам географических наук Алексееву В.Р., Антипову А.Н., Корытному Л.М., Мизандронцеву И.Б., Никитину С.П., Черкашину А.К., Шимараеву М.Н., которые ознакомились с первоначальным вариантом диссертации и высказали много полезных замечаний по ее содержанию и структуре. Автор также благодарит д.ф.-м.н. Виноградова Ю.Б., д.т.н. Коваленко В.В. и д.г.н. Коронкевича Н.И., личные беседы с которыми помогли ему адекватнее оценить наиболее существенные элементы собственной работы.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

I. Понятия, принципы и технологические приемы информационного подхода формируют новый взгляд на существо и возможности метода моделирования. Их применение позволяет упорядочить, упростить и облегчить процесс создания моделей, разработать эффективные способы трансформации и анализа материалов географических наблюдений, а также ориентирует на более объективное отношение к результатам моделирования.

В рамках настоящей работы под моделью объекта подразумевается любой другой объект, содержащий в себе информацию о первом. Подобного рода определения модели настолько часто встречаются в литературе [Арманд, 1975; Вилкас, Майминас, 1981; Симонов, 1986; Психология, 1990 и т.д.], что, кажется, невозможно вложить какой-либо новый смысл в еще одно. Тем не менее, очень важно подчеркнуть то, что любая модель, являясь самостоятельной единицей, обладает собственными свойствами, не имеющими отношения к объекту моделирования. И, если свойства оригинала и модели в процессе ее создания смешиваются, то интерпретация результатов ее исследования может оказаться ложной.

Обязательным признаком информационных моделей, рассматриваемых в данной работе, является использование некоторых характеристик, значения которых описывают состояние объекта. Такие характеристики называются переменными модели. Количество переменных определяет размерность фазового пространства модели. Целесообразно ввести понятие информационной емкости этого пространства. Она определяется числом различимых состояний объекта, которые могут быть отражены в модели, при условии, что все эти состояния равновероятны. В качестве меры информационной емкости модели можно использовать традиционную энтропию [Вентцель,1962] соответствующего равномерного распределения вероятностей.

При разработке модели, наряду с введением новых переменных, увеличивающих ее информационную емкость, накладываются (на основании имеющихся данных об объекте) ограничения на их возможные независимые или совместные значения. Их учет уменьшает число допустимых совместных значений переменных модели или энтропию их распределения. Чем больше такое уменьшение, тем больше информативность модели.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.