Защита диссертации Токсанбаевой Сабины Турсыновны на соискание степени доктора философии (PhD) по специальности «8D05211 - Поисковая география и геоинформационные системы»
В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Токсанбаевой Сабины Турсыновны на тему «Моделирование прогноза наводнений в бассейне реки Нура и анализ географических факторов» по специальности «8D05211 – Поисковая география и геоинформационные системы».
Диссертация выполнена на кафедре «Физическая и экономическая география» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.
Язык защиты - русский
Официальные рецензенты:
Алимкулов Саят Курбанбаевич – кандидат географических наук, ассоциированный профессор, Заместитель Председателя Правления АО «Институт географии и водной безопасности» (г. Алматы, Республика Казахстан), специальность: 25.00.27 – «Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия».
Молдахметов Марат Молдабекович – кандидат географических наук, доцент, Директор Агробиологического научно-исследовательского института, Международный Таразский инновационный институт имени Ш. Муртазы (г. Тараз, Казахстан), специальность: 11.00.07 – «Гидрология суши, водные ресурсы, гидрохимия».
Временные члены Диссертационного совета:
Егембердиева Камшат Баратовна - кандидат географических наук, руководитель лаборатории «Геотуризм и геоморфология», АО «Институт географии и водной безопасности» (г. Алматы, Республика Казахстан), специальность: 25.00.23 – «Физическая география и биогеография, география почв и геохимия ландшафтов».
Нысанбаева Айман Сагынбаевна - кандидат географических наук, доцент, заведующий кафедры «Метеорология и гидрология», КазНУ имени аль-Фараби (г. Алматы, Республика Казахстан), специальность: 25.00.30 – «Метеорология, агрометеорология, климатология».
Курепина Надежда Юрьевна - кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Институт водных и экологических проблем Сибирского отделения Российской академии наук (г. Барнаул, Российская Федерация), специальность: 25.00.33 – «Картография».
Попова Наталья Борисовна – доктор географических наук, профессор кафедры «Экономика транспорта», ФГБОУ ВО «Сибирский государственный университет путей сообщения (СГУПС)», (г. Новосибирск, Российская Федерация), специальность: 25.00.36 – «Геоэколоrия».
Научные консультанты:
Рамазанова Нургуль Есеновна – PhD, и.о. профессора, заведующий кафедрой «Физическая и экономическая география», НАО «ЕНУ имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан), специальность: 6D060800 – «Экология».
Тусупбеков Жанболат Ашикович – кандидат географических наук, доцент, Омский государственный аграрный университет имени П.А. Столыпина (г. Омск, Российская Федерация), специальность: 25.00.27 – «Гидрология суши, водные ресурсы и гидрохимия».
Защита состоится: 29 февраля 2024 года в 11.00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D052 – Окружающая среда» по специальностям «6D060900 – География», «8D05211 – Поисковая география и геоинформационные системы», «8D05213 – География» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Проведение заседания диссертационного совета в онлайн и оффлайн (смешанном) формате.
Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана, 13, учебный корпус №3, зал заседаний (ауд. №333).
Аннотация (рус.): Актуальность темы исследования. Актуальной проблемой как для Казахстана, так и для всего мира является возникновение природных катастроф или стихийных бедствий. Изучение опасных явлений природы в целях их прогнозирования является научной основой деятельности государственных органов по обеспечению безопасности жизнедеятельности людей. Среди стихийных бедствий наиболее разрушительными являются наводнения, наносящие огромный ущерб жизни людей, инфраструктуре, сельскому хозяйству и социально-экономической системе. В связи с этим, правительства вынуждены разрабатывать надежные методы защиты территорий, подверженных наводнениям, и планировать дальнейшее устойчивое управление рисками наводнений, уделяя особое внимание предотвращению, защите и обеспечению готовности. Модели прогнозирования наводнений имеют большое значение для оценки опасностей и управления экстремальными явлениями. Надежный и точный прогноз в значительной степени способствует разработке стратегий управления водными ресурсами, анализа ситуации и предложений эффективных методов защиты, а также своевременной эвакуации населения и других объектов народного хозяйства. Таким образом, подчеркивается важность передовых систем краткосрочного и долгосрочного прогнозирования наводнений и других гидрологических явлений для уменьшения ущерба. Однако прогнозирование времени заблаговременности наводнения и места его возникновения принципиально сложно из-за динамического характера климатических условий. Поэтому достоверность результатов в современных моделях прогнозирования наводнений главным образом взаимосвязано с качеством и репрезентативностью исходных данных и включают различные упрощенные предположения развития событий. В следствии этого, для имитации сложных математических выражений физических процессов и поведения бассейна в таких моделях используются специальные методы, например, событийно-ориентированный, эмпирический черный ящик, сосредоточенный и распределенный, стохастический, детерминированный, непрерывный и гибридный. Затопление территорий, используемых для социально-экономической деятельности, вызывает различные негативные последствия. Величина неблагоприятных воздействий зависит от уязвимости деятельности и населения, а также от частоты, интенсивности и масштабов наводнений. Стихийные бедствия и наводнения являются частью природных явлений. Они всегда существовали и будут существовать. За исключением некоторых наводнений, вызванных разрушением плотин или оползнями, наводнения являются климатологическими явлениями, на которые влияют геология, геоморфология, рельеф, условия почвы и растительности. Метеорологические и гидрологические процессы могут быть быстрыми или медленными и могут приводить к внезапным наводнениям или более предсказуемым медленно развивающимся наводнениям, также называемым речными наводнениями. Общество стало более уязвимым к стихийным бедствиям. Хотя наводнения являются природными явлениями, деятельность человека и его вмешательство в природные процессы, такие как изменение структуры дренажа в результате урбанизации, сельскохозяйственной практики и вырубки лесов, значительно изменили ситуацию во всех речных бассейнах. В то же время подверженность риску и уязвимость в районах, подверженных наводнениям, постоянно растут. Риск наводнения возрастает там, где риск определяется как вероятность возникновения, умноженная на его воздействие. Ожидается, что вероятность наводнений возрастет: климат земли быстро меняется. Начиная с теплого периода в Средние века и после Малого Валуна, земля, несомненно, снова становится теплее. В настоящее время в мире происходят глобальные изменения в климатическом и природном факторах, есть необходимость в исследованиях катастрофических явлений. В сложившейся ситуации моделирование прогноза наводнений, вызываемых весенними половодьями, является одной из составляющих обеспечения безопасности жизнедеятельности в населённых пунктах, расположенных в долинах рек, и важной научной задачей. Своевременное прогнозирование и предупреждение служб по чрезвычайным ситуациям и населения о надвигающейся угрозе необходимая предпосылка сохранения жизни и здоровья людей и минимизации экономического ущерба. Так как речные наводнения являются одним из стихийных явлений и лидируют по количеству погибших, по числу пострадавших, по величине причиненного ущерба среди остальных стихийных бедствий в природе. В связи с этим возникает необходимость анализа географических факторов, влияющих на процессы моделирования прогноза наводнений. Цель диссертационного исследования – моделирование и прогноз наводнений в бассейне реки Нура и анализ географических факторов для создания адаптивной модели прогноза рек территории Казахстана. Для достижения поставленной цели обозначены следующие задачи: 1. Изучение и анализ теоретических и методологических основ моделирования наводнений и краткосрочного прогнозирования паводкоопасных ситуаций. 2. Определение основных географических, гидрологических, геоморфологических особенностей формирования стока бассейна реки Нура на основе изучения природно-климатических, географических, картографических, статистических данных за многолетний период по исследуемой территории. 3. Анализ географических факторов формирования стока бассейна реки Нура, влияющих на паводкоопасную ситуацию Карагандинской области. 4. Моделирование и прогноз наводнения по объекту исследования при наличии и отсутствии данных наблюдений для бассейна реки Нура. 5. Рекомендации по предупреждению катастрофических паводков, а также по противопаводковым мероприятиям в целях предотвращения риска возникновения наводнений и смягчения их последствий. Защищаемые положения: 1. Комплексный анализ паводкоопасной ситуации центральной части Казахского мелкосопочника на основе рассмотрения физико-географических особенностей водосборного бассейна и условий формирования стока водосборной площади реки Нура. 2. Адаптированная методика прогнозного компьютерного моделирования паводкоопасных ситуаций и наводнений для территории Республики Казахстан на основе передовых широко используемых в зарубежной практике методов моделирования наводнений, сочетающая в себе как математические и полевые методы исследования, так и данные дистанционного зондирования (ДЗЗ) и геоинформационных систем (ГИС). 3. Научно-обоснованные и практико-ориентированные рекомендации по противопаводковым мероприятиям для предотвращения рисков возникновения наводнений. Объектом исследования является незарегулированный участок бассейна реки Нура от истока реки до Самаркандского водохранилища и зарегулированный участок реки от Самаркандского до Интумакского водохранилищ, включая бассейн озера Коктал. Предметом исследования являются закономерности возникновения паводковой ситуации и прогнозное моделирование наводнений. Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что для исследуемой территории бассейна реки Нура: выполнен анализ географических факторов, влияющих на паводкоопасную ситуацию; для территории Казахстана адаптированы компьютерные программы прогнозного моделирования, широко используемые в зарубежной практике; предложены научно-обоснованные и практико-ориентированые рекомендации по противопаводковым мероприятиям в целях предотвращения риска возникновения наводнений. Исходные материалы исследования. Материалы научно-литературного обзора, материалы обзора научных периодических публикаций отечественных, российских и зарубежных изданий, обзорные и топографические карты местностей, различные тематические карты, космические снимки, данные экспериментальных исследований, гидрометеорологические данные. Методы исследования. Сравнительно-описательный метод (изучение географических факторов формирования бассейна реки Нура, влияющих на паводкоопасную ситуацию Карагандинской области), ретроспективный анализ (изучение мирового и отечественного опыта моделирования и прогнозирования), общетеоретические методы (анализ, синтез, индукция, дедукция, абстрагирование и моделирование, обобщение, классификация и систематизация данных, составление общих выводов и заключений), статистический метод и методы гидрологических расчетов (обработка количественных параметров), графические методы (графическое отражение данных в виде таблиц, диаграмм, графиков), картографический метод (составление серии карт), геоинформационные методы обработки и вычисления данных (инструменты и утилиты программного обеспечения ArcGIS 10.5). Апробация результатов исследования подтверждается актом внедрения в производство и учебный процесс от ОЮЛ «Ассоциации водопользователей, водопотребителей и водного транспорта «KAZWATER», где результаты научного исследования апробированы и применены в ходе разработки и реализации задач в рамках проекта «Приобретение материалов научной стажировки по обучению методики оценки состояния русловых процессов, как одной из причин возникновения наводнений (алгоритм расчета спектральных индексов и определение мест заиления и зарастания паводкоопасных участков рек)». Личный вклад автора. Автором произведен сбор и анализ методик моделирования и прогнозирования наводнений, научных трудов по теме диссертационного исследования. Выполнено детальное рассмотрения физико-географических особенностей водосборного бассейна и условий формирования стока водосборной площади реки Нура с целью комплексного анализа паводкоопасной ситуации объекта исследования, разработана адаптированная методика прогнозного компьютерного моделирования паводкоопасных ситуаций и наводнений для территории Республики Казахстан на основе передовых широко используемых в зарубежной практике методов моделирования наводнений, составлены серии карт по объекту исследования за исторический 2014 год и современный период по географическим факторам, даны научно-обоснованные и практико-ориентированные рекомендации по противопаводковым мероприятиям для предотвращения рисков возникновения наводнений. Публикации результатов исследования. Полученные результаты исследований были опубликованы в научных журналах и материалах международных конференций (всего 8 статей): 2 статьи в научных журналах, входящих в базу данных Scopus; 3 статьи в научных журналах, рекомендованных ККСОН РК; 3 статьи в материалах международных научно-практических конференциях. Структура и содержание диссертации. Диссертационная работа включает в себя введение, основную часть, состоящую из 4 разделов, заключение, список использованных источников и приложения. Иллюстрированный материал представлен 56 рисунками, 14 таблицами и 15 формулами. Первая глава диссертации посвящена теоретическим и методологическим основам исследования, которые дали нам понимание теоретических основ изучения моделирования прогноза наводнений, включая в себя историю исследования моделирования и прогнозирования, сущность и содержание понятий моделирование и его виды, основные модели прогноза наводнений и географические факторы, влияющие на наводнения. На данный момент для изучения моделирования прогноза какого-либо процесса, в том числе и наводнений, нужны знания моделирования физических процессов, аналитики большого объема данных, математических расчетов. Моделирование в гидрологии используется в управлении речными бассейнами, управлении системы водоснабжения, гидроэнергетики, в сельском хозяйстве, и также для краткосрочного прогнозирования расходов воды и для предоставления предупреждений о наводнениях. Гидрологическое моделирование представляет из себя процесс формирования стока в масштабах речных бассейнов. Методы моделирования включают в себя разные виды. Вторая глава содержит анализ системы природных факторов формирования и развития бассейна реки Нура, который показал нам детальное описание физико-географического положения исследуемой территории и истории исследования природной среды бассейна реки Нура, геоморфологического и геолого-литологического строения речного бассейна, климатических условий формирования бассейна, биотических факторов и рекреационных ресурсов, гидрологической изученности бассейна и гидрографических особенностей. Третья глава посвящена методическим основам моделирования наводнений и краткосрочного прогнозирования паводковых ситуаций, которые дали нам понимание методов исследования математического моделирования, полевых методов исследования и современных методов геоинформационных исследований при моделировании наводнений. Данные методологические знания по третьей главе показаны для того, чтобы более детально понимать вопрос моделирования и прогнозирования наводнений и с целью применить определенные методы и модели наводнений в будущей четвертой главе. Четвертая глава содержит конкретные результаты научно-исследовательской работы по моделированию и прогнозированию наводнений с характеристикой цифровой модели рельефа бассейна реки Нура с применением программы ArcGIS 10.5, с моделированием и прогнозированием талого стока в программах WIN SRM и HBV-light, с прогнозом при отсутствии данных наблюдений, с анализом географических факторов, влияющих на паводкоопасную ситуацию с воздействием гидрометеоролоического, почвенного и рельефного факторов. Так как бассейн исследуемой реки находится в равнинной местности и характеризуется неравномерным внутригодовым распределением стока, в следствии этого, 90 % речного стока приходится на весеннее половодье, при этом следует отметить, что отличительной характерной чертой речного бассейна реки Нура является то, что сток половодья формируются за счет снегового талого стока. Расположение в центре Казахского мелкосопочника, также имеющего название как Казахская складчатая страна, и в центре Евразии сказывается на климате и описывает его как резкоконтинентальное и крайне засушливое место с недостаточным увлажнением и низкой влажностью воздуха с преобладанием арктических, полярных и тропических воздушных масс. Эти факторы показывают, что Нура относится к равнинному типу рек и имеет резкоконтинентальный климат. В результате проведенной работы получены следующие выводы: 1. Согласовывая литературные источники таких ученых как А.В. Шнитников, Ж.А. Айталиев, А.В. Егорина, занимающихся общей физической географией; И.В. Северский, А.Р. Медеу, Ф.Ж. Акиянова, А.П. Горбунов, занимающиеся геоморфологией; А.С. Утешев, занимающийся климатологией и метеорологией; А.А. Турсунов, В.М. Болдырев, Р.И. Гальперин, Ж.Д. Достай, И.М. Мальковский, И.С. Соседов, занимающиеся исследованиями в гидрологии и К.М. Джаналеева, Г.В. Гельдыева, М.Ш. Ишанкулов, А.В. Чигаркин, В.М. Чупахин, И.Б. Скорницева, занимающиеся ландшафтоведением; за исторический 2014 и современный период исследований с 2021 по 2023 года проанализировав географические факторы, влияющие на паводкоопасную ситуацию, нами было выявлено по гидрометеорологическим факторам изменения в температуре воздуха весной увеличение на 0,71 градус и зимой на 0,23 градуса от нормы, что говорит о постепенном глобальном потеплении и изменении климата не только в Карагандинской области, но и по всему Казахстану; далее рассматривая осадки бассейна реки Нура можно сказать, что с каждым годом их становится значительно меньше, рассматривая период с 2021 по 2023 показатели осадков становятся менее интенсивными. Рассматривая увлажненность почвы можно сказать, что с каждым годом почва становится менее влажной. Данные факторы показывают, что в настоящее время паводкоопасных ситуаций стало значительно меньше в сравнении с историческим 2014 годом. Фильтрация почвы бассейна реки Нура тоже имеет свои особенности, большая часть исследуемой зоны состоит из суглинистых, супесчаных и глинистых типов грунтов, что говорит о слабой проницаемости и непроницаемости почвы согласно шкалы средних показателей коэфициента фильтрации для некоторых грунтов. На исследуемой территории накопление снега идёт постепенно, достигая максимума в марте. Запас снега по обхвату территории в период с 1 ноября 2013 года по 1 апреля 2014 года характеризовался увеличением снежного покрова к середине ноября и устойчивостью до середины февраля с постепенным уменьшением до конца марта 2014 года. Современный период характеризуется меньшим количеством снежного покрова, что говорит о постепенном уменьшении твердых осадков. Рассматривая территорию объекта исследования, можно сказать, что на территории диссертационного исследования заторы и зажоры не встречаются, но они имеют место быть в Казахстане на территории бассейна реки Иртыш. В результате анализа данных почвенного фактора по атмосферным осадкам, годовое количество осадков в среднем составляет 280 мм, максимум наблюдается летом в виде ливней и сильных дождей. Осадки выпадают неравномерно, бывает, что 3-4 дождя сразу дают летнюю норму. Испаряемость приближается к 1000 мм, а коэффициент увлажнения падает до 0,5-0,3. Зима холодная с сильным юго-западными ветрами и частыми метелями начинается в середине ноября и длится около 5 месяцев, а на юге заповедника она на 1-2 месяца короче. Распределение снежного покрова по поверхности неравномерное. Снег скапливается в понижениях рельефа, повышенные участки оголены. Почва промерзает на глубине до 1 метра. Весна сухая прохладная характеризуется быстрым сходом снега и длится 20-30 суток. За зимний период испаряется в среднем 30-35 мм. Суммарное годовое испарение с увлажненной почвы или водной поверхности достигает 1200 мм, испарение с суши 200-300 мм. Средний слой испарения с водной поверхности 680-1000 мм. В результате исследования по рельефному фактору было выявлено, что бассейн реки Нура расположен в основном в сухостепной и полупустынной зоне, отличающейся разнообразием рельефа, почвообразующих пород, глубины залегания и степени минерализации грунтовых вод, что отражается на разнообразии почвенного покрова. Особенно наглядно эта неоднородность проявляется по мере продвижения с севера на юг. Почвенный покров представлен черноземами южными, темно – каштановыми, каштановыми, светлокаштановыми, луговыми, лугово – болотными, солонцами, солончаками, горными каштановыми почвами. Так же возможно проявление временной верховодки по кровле суглинков являющихся естественным водоупором в период сезонных весенних паводков и обильных атмосферных осадков. Речной водосбор характеризуется расчлененным крупнохолмистым рельефом в верхней части, типичный для группы невысоких холмов, разделенных речными долинами – мелкосопочниками в средней части и равнинным рельефом с редкими холмами и слабо выраженным водоразделом с соседними реками Есиль, Куланутпес - в нижней части бассейна реки Нуры. 2. Благодаря анализу зарубежного опыта в прогнозировании и моделировании наводнений и изучению компьютерных программ, для докторской диссертации были адапртированы две модели - HBV модель и модель талого стока WIN SRM. HBV модель является полу распределённой гидрологической моделью для моделирования стока водосбора. Модель HBV состоит из трех основных компонентов: подпрограммы накопления и таяния снега, подпрограммы учета влажности почвы, подпрограммы реагирования и маршрутизации рек. Модель талого стока WIN-SRM предназначена для моделирования и прогнозирования суточного стока в бассейнах, где снеготаяния является главным фактором стока. 3. Адаптирована методика прогнозирования и моделирования паводкоопасной ситуации и наводнений с использованием данных дистанционного зондирования и геоинформационных технологий, сочетающая в себе как математические методы исследования, так и ДЗЗ, ГИС. Для территории Казахстана адаптированы европейские компьютерные программы прогнозного моделирования на участке реки Нура от истока до Самаркандского водохранилища и между Самаркандским и Интумакским водохранилищами. С помощью автоматизированного способа в компьютерном виде обработки данных ЦМР по водосборному бассейну удалось создать цифровую модель рельефа бассейна реки Нура с применением программы ArcGis 10.8. Для работы в программе WIN SRM первоначально проанализированы общие исходные данные по объекту исследования, дополнительно рассчитаны параметры для модели программы WIN SRM. Для исследования выбран период наблюдений за 2013-2014 годы, так как данный период характеризовался как один из многоводных годов в сравнении между 1938 и 2023 годами, также данный период выбран в связи с тем, что данные были репрезентативны и достоверны, доступны все параметры по данному периоду наблюдений. При работе в программе WIN SRM результатом моделирования стал компьютерный рассчитанный объем талого стока и расхода воды по указанному периоду. В исследовании для работы в программе WIN SRM были взяты два ключевых участка с двумя прогнозами за определенный промежуток времени. В результате, точность расчета объема талого стока в программе WIN SRM для 1 ключевого участка от истока до Самаркандского водохранилища составило 86%. Точность расчета объема талого стока в программе WIN SRM для 2 ключевого участка для русла реки Нура между Самаркандским и Интумакского водохранилищами составило 83%. Прогнозная модель объема талого стока в программе HBV показала точность модели на 98,72% для 1 ключевого участка от истока до Самаркандского водохранилища и 61,87% для 2 ключевого участка по руслу реки Нура между Самаркандским и Интумакским водохранилищами. При выполнении прогноза при отсутствии данных наблюдения на примере расчетов по озеру Коктал применен упрощенный метод расчета талого стока при отсутствии данных наблюдений по формуле Соколовского, в результате математических расчетов получены расчетные объемы талого стока озера Коктал различной обеспеченности, т.к. данная территория является уникальным озером и руслом с естественным регулятором, входящая в группу озер Шолакшалкар в бассейне реки Нура, расположенных в Коргалжынском районе Акмолинской области Казахстана. 4. Предложены научно-обоснованные рекомендации по противопаводковым мероприятиям в целях предотвращения риска возникновения наводнений, включающие очистку арычно-лотковых сетей и ливневой канализационной системы, откачку талой воды с улиц города; внедрение совершенных устройств по предупреждению наводнений для увеличения времени на подготовку и принятие мер при внезапных наводнениях и паводковых ситуаций с целью спасения больших жизней и меньшего социально-экономического урона; построение будущих зданий более одного метра от земного фундамента для предотвращения ущерба от наводнений и паводковых ситуаций, восстановление рек и очищение дренажа для предотвращения наводнений и паводковых ситуаций; добавление барьеров от наводнений и паводков для мониторинга; применение технологических инноваций и достижений, которые позволят определить затопления до их действительного прихода для немедленного предотвращения.
Отзыв зарубежного консультанта