Идеализация природы

Как с помощью математического моделирования предсказать наводнение и помочь избежать жертв и разрушений?

Об этом и многом другом рассказывает Александр Наумович Гельфан, директор Института водных проблем РАН, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук.

 

– Александр Наумович, знаю, что в вашем институте работают географы, биологи, физики, математики – самые разные специалисты. Чем вызвана необходимость объединить людей столь разных направлений научной деятельности?

Наш институт, действительно, объединяет специалистов, работающих на стыке самых разных научных проблем. Это геофизическое направление, это вопросы, связанные с гидрологией как геофизической наукой, это гидрологический цикл, круговорот воды. Этим заняты, в основном, гидрологи, физики, математики. Это вопросы, связанные с качеством воды, и здесь, конечно, нужны специалисты в области гидрохимии, гидробиологии, экологи. Это специалисты в области анализа данных, создания геоинформационных систем, и здесь нужны специалисты в области геоинформатики. Огромное количество задач, которые связаны с использованием подземных вод, и нам нужны гидрогеологи. Не так много областей в науках о Земле, которые требуют объединения столь разных специалистов. Наш институт именно такой.

– Почему именно проблемы обозначены в названии института, и какие это проблемы?

Институт был создан постановлением Совета Министров Советского Союза в 1967 году, и именно в этом постановлении был обозначен тот круг проблем, ради чего создается институт. Дело в том, что к тому моменту было большое количество задач, связанных с водным хозяйством, с использованием водных ресурсов, которые, в основном, решались ведомственной наукой. В нашей области была только одна академическая организация, небольшой отдел, который занимался задачами развития фундаментальных исследований в этой области.

Масштаб этих задач, в том числе, связанных с вопросами регулирования стока огромными каскадами водохранилищ, качества воды и охраны вод, был огромен, и стало понятно, что эти задачи не под силу ведомственным институтам. Нужна была академическая организация, которая объединяла бы все задачи, которые возникают в этой области, чтобы результаты фундаментальных исследований могли использоваться в практических моделях, технологиях.

Когда это понимание оформилось, был создан наш институт. Задачи, которые он решает, связаны с исследованием формирования водных ресурсов и с управлением водными ресурсами; с охраной вод, с качеством воды, водопользованием. Это очень широкий круг задач, прежде всего, фундаментальных. Я хочу подчеркнуть, что институт всегда придерживался такой стратегической линии. Как сказал Пастер, нет прикладной науки – есть приложение науки. То есть мы должны развивать науку и прилагать результаты этих научных исследований. Это главное. Мы ориентируемся, в первую очередь, на исследования, на решение фундаментальных задач, и они находят приложение.

В XXI веке наступил новый этап развития института, когда наши наработки привели нас к тому, что мы создали математические модели, которые действительно востребованы в практике.

А что это за модели?

Это математические модели, которые описывают, в том числе, круг задач, связанных с формированием водного режима рек. Наш институт занимается задачами формирования водных ресурсов и описания гидрологического цикла. Это все, что происходит при выпадении осадков: как они трансформируются в речном бассейне, как впитываются в почву, как выпадают в виде снега, как этот снег накапливается, тает, как вода стекает по водосбору, как она проникает в более глубокие слои.

Всё это геофизические задачи, для описания которых используются сложные системы уравнений математической физики. Они решаются численно, с помощью высокопроизводительных компьютеров. Это задачи, связанные с формированием речного стока, с формированием экстремальных гидрологических явлений.

Вы знаете, что для нашей страны, как и для многих стран мира, наводнения – это очень серьезная проблема. Перед нами стоят задачи, связанные с прогнозированием, к примеру, наводнений, задачи, связанные с оценками их опасности. Это все решается с помощью моделей.

Сейчас мы вышли на тот уровень, когда информационные технологии, построенные на основе наших моделей, применяются для поддержки принятия решений, для того чтобы решить, что нужно: какую плотину построить, какой она должна быть высоты, какие другие сооружения могут защитить тот или иной населенный пункт.

Когда проигрываешь различные сценарии на моделях, построенных на компьютере, можно понять очень многое, разработать сценарии предотвращения катастроф. Ты можешь виртуально поставить плотину, какие-то дамбы, посмотреть, как будет распространяться поток, будет ли он воздействовать на какие-то сооружения, населенные пункты или мосты.

– Почти как компьютерная игра.

– Да, мы даем возможность людям, принимающим решения, проиграть разные ситуации и принять экономически выверенные и экологически безопасные решения на основе этого анализа. Это действительно новое для нашей страны направление гидрологической науки.

– А что в других странах?

– Примерно последние двадцать лет мы наблюдаем взрывное использование геоинформационных технологий, математических моделей. В 80-е годы я пришел в институт, в лабораторию, которую возглавлял мой учитель профессор Кучмент, создатель отечественной школы математического моделирования в нашей области. И тогда специалисты в нашей области могли только мечтать о том, что эти сложные модели, которые мы создаем, найдут какое-то практическое применение. По уровню моделей, по их научному содержанию тогда мы были точно на уровне с мировым сообществом, а кое-где, например, в области моделирования весеннего половодья, даже лидировали.

Но настали 90-е годы, и по разным причинам началось отставание: большое количество специалистов уехало, молодежь перестала приходить в наш институт. А гидрологические модели становились все более технологичными, и в технологиях мы стали отставать.

В последние десятилетия отечественная гидрология начала это отставание преодолевать. Сейчас, судя по публикациям в ведущих журналах и по тому, как наши научные результаты принимаются на самых крупных международных конференциях, по нашей вовлеченности в международные проекты, понятно, что мы постепенно выходим на тот уровень, который занимали 30-40 лет назад.

Александр Наумович, я знаю, что вы возглавляете лабораторию гидрологии речных бассейнов и занимаетесь как раз тем самым математических (математическим) моделированием процессов, о которых сейчас рассказываете. Скажите, пожалуйста, насколько точны эти прогнозы, удалось ли вам конкретно что-то предсказать, предупредить, помочь принять правильное решение по принятию необходимых мер?

– Сейчас есть такой модный  термин – «импортозамещение». На самом деле именно в нашей области это очень актуально. Дело в том, что для нас ограничены возможности использования моделей, разработанных в других странах, из-за того, что климатические условия в России и особенности сети наблюдения сильно отличаются по многим параметрам. Все обстоятельства приводят к тому, что использование западных технологий и моделей зачастую чревато большими ошибками. Поэтому в нашем институте, в нашей лаборатории созданы модели мирового уровня, которые отвечают именно нашим потребностям.

Для чего они используются? Есть две крупные модели, есть и более мелкие. Скажу подробнее об этих двух. Первая модель, которая создана главным научным сотрудником нашего института доктором географических наук Мотовиловым, используется уже на протяжении без малого двадцати лет в практике Федерального агентства водных ресурсов. Это очень важная задача поддержки принятия решений при регулировании стока каскадами водохранилищ.

Вы, наверное, знаете, что в России существуют очень крупные каскады водохранилищ, в частности, Волжско-Камский каскад. Этот каскад — цепочка из одиннадцати водохранилищ, которые созданы для того, чтобы удовлетворять потребности очень разных отраслей экономики, а кроме того, здесь стоят еще и экологические задачи, связанные с обводнением Волго-Ахтубинской поймы, где происходит нерест рыб, ведется сельское хозяйство и так далее.

Это комплекс очень сложных задач, требующий тонкой настройки регулирования речного стока этими водохранилищами для удовлетворения очень разных, зачастую противоречивых потребностей различных отраслей экономики в водных ресурсах. Для того, чтобы это делать обоснованно, нужны как можно более точные и заблаговременные прогнозы притока воды к водохранилищам.

Уже в начале весны, еще когда снег лежит на Европейской территории России, нужно представлять себе, сколько воды перетечет в эти водохранилища, когда снег начнет таять. Если мы ждем очень большой воды, то нужно, чтобы эта вода не переполнила водохранилище, необходимо избежать незапланированных сбросов воды из водохранилища, которые могут привести к катастрофическим последствиям, затоплению  низлежащих населенных пунктов. Или, наоборот, придерживать сработку водохранилища, если будет  мало воды, потому что эта вода понадобится летом.

Так что прогноз притока воды к водохранилищу – чрезвычайно сложная и наукоемкая задача, которой занимаются, в частности, с помощью той модели, о которой я говорю. Она называется «ECOMAG» и используется для прогнозирования притока воды в водохранилище.

– Насколько она эффективна?

– Судя по тому, что Росводоресурсы продолжают её использовать, значит, действительно это дает эффект. На протяжении всех этих лет крайне редко бывали серьезные ошибки в прогнозе, хотя любой прогноз – это вероятностная характеристика. Невозможно дать совершенно точный прогноз. Но мы стремимся к увеличению точности. Эта модель использовалась, когда, например, было наводнение 2013 года на Амуре. Мы с помощью этой модели воспроизвели условия формирования наводнения. Вообще на Амуре очень редкая сеть наблюдений. Практически на основании данных наблюдений очень сложно понять, что же там произошло. С помощью модели мы это воспроизвели, и теперь понимаем, каким образом это случилось.

Вторая модель, которая тоже широко используется, называется «STREAM». Она тоже создана сотрудником нашего института доктором технических наук Беликовым. Это гидродинамическая модель, которая позволяет описывать динамику наводнений. Сложная математика лежит в основе этой модели, потому что исследуются сложные процессы распространения наводнений в условиях, когда, например, застроена пойма.

Эта модель использовалась, например, для описания наводнения в Крымске. Это катастрофическое наводнение 2012 года, когда погибло больше 170 человек. С помощью этой модели были воспроизведены условия, которые показали, какие факторы повлияли на столь стремительный подъем уровня воды и как можно было этого избежать, если заранее проиграть ситуации и при разных сценариях поступления воды построить защитные сооружения.

В 2019 году было экстраординарное, тоже принесшее бедствия наводнение в Иркутской области. Был затоплен город Тулун на реке Ие. Тогда погибло больше тридцати человек. С помощью наших моделей мы обнаружили многие эффекты, которые невозможно было обнаружить с помощью имеющихся наблюдений. Мы понимаем теперь, каким образом можно защититься от большой воды.

Есть ли уже какие-то позитивные примеры, когда удалось защититься заранее, а не только подводить итоги того, что уже случилось?

Конечно, да. Те модели, о которых я рассказываю, использовались в оперативной практике. Скажем, защита от наводнений.  Модель «ECOMAG» была использована для краткосрочного прогнозирования притока воды в Амурские водохранилища – Зейское и Бурейское. Надежный прогноз позволяет оптимизировать работу водохранилища и действительно защитить низлежащие территории от наводнений. Так вот, в течение нескольких лет на Амуре эта модель работала, и экономический эффект был высоко оценен.

Из самых свежих работ – STREAM использовался для планирования защитных сооружений в Ярославле. Там новые застройки в городе, и нужно было оценить риски возникновения экстремальных ситуаций, в том числе, и прорыва вышележащих плотин. С помощью этой модели разыграны разные ситуации, когда было показано, какой величины нужно строить защитную дамбу, где можно строить, а где нельзя, эти жилые кварталы.

И еще один пример. Наш институт был головной организацией, которая руководила работами в рамках национального проекта «Экология». Часть этого проекта – федеральный проект «Оздоровление Волги», и внутри него есть небольшая часть, которая касается проблемы так называемого диффузного загрязнения.

Это не очень удачный термин. На Западе используется термин «non-point pollution», «неточечное загрязнение». Традиционно основным источником загрязнения Волги считались сточные воды, которые поступают по трубам, например, от промышленных предприятий.

Так вот, в результате этой работы было показано, что основной источник загрязнения Волги зачастую может быть вовсе не из-за того, что по трубам загрязненная вода поступает, а из-за того, что существует площадной смыв загрязненных веществ. Если, например, вода стекает с сельскохозяйственных полей, то она несет с собой удобрения, взвешенные вещества и другие загрязнители. Это, вроде бы, очевидные вещи, но они почему-то не приходили в голову людям, которые разрабатывали нормативы и мероприятия в области водоохраны.

В результате этого проекта, в том числе, с помощью наших моделей было показано, что, во-первых, вклад этого диффузного загрязнения в загрязнение отдельных участков Волги и ее притоков очень велик, и зачастую он превышает даже вклад сточных вод. А во-вторых, с помощью этих моделей можно понять, каким образом реабилитировать объекты накопленного экологического ущерба.

Например, в Нижнем Новгороде есть такая Бурнаковская низина, на территории которой когда-то располагалась Сормовская нефтебаза. Там были хранилища нефти и случались протечки, в результате чего под землей накопилось довольно большое количество нефтепродуктов. Когда выпадают дожди, тает снег, всё это попадает в Волгу. Одна из частей нашей работы была связана с тем, чтобы, во-первых, понять, из каких участков этой низины грязь поступает. А во-вторых, понять, какие порекомендовать защитные мероприятия, чтобы избежать скандала. И это было сделано.

– Какие же защитные мероприятия вы порекомендовали?

– В первую очередь, очистка территории, устранение накопленного экологического ущерба.  Но это долговременная мера. Тут нужны были еще и быстрые меры. В этом случае эффективны защитные экраны, которые устанавливаются на определенных местах, где находятся основные пути поступления загрязняющих веществ. Нужно было отследить, смоделировать, понять, какими путями эта грязь с большой территории в Волгу поступает. На этих путях нужно было поставить защитные экраны, что и было сделано.

Как вы думаете, настанут ли времена, когда математическое моделирование природных катаклизмов станет настолько точным, настолько быстрым и безотказным, что мы будем жить, не зная всех этих неприятностей?

Такие времена, конечно, не настанут. Математические модели – это идеализация природы. Какие бы совершенные модели мы ни использовали, какие бы совершенные знания у нас ни были о том, каким образом вода по водосбору распространяется, какие бы ни были у нас вычислительные ресурсы, все равно существует огромное количество неопределенностей, которые невозможно учесть. Эти неопределенности всегда будут проявляться в ошибках расчетов.

Мы уже научились давать краткосрочные прогнозы довольно хорошего качества. Если речь идет о прогнозах, например, движения паводочной волны во время распространения наводнения, а это обычно два-три дня, то они обладают высокой точностью. За эти два-три дня мы можем какие-то мероприятия провести, эвакуировать население, что-то успеть.

Но бывают ситуации, и их намного больше, когда нужны прогнозы на неделю, на десять дней вперед. Это требует привлечения метеорологических прогнозов атмосферных процессов, для которых существует предел предсказуемости и которые нельзя предсказать более чем на 8-10 суток вперед.

Но дело не только в метеорологических прогнозах, прогнозах осадков. Проблем много. Вторая проблема, если говорить о точности, это, конечно, недостаточное количество информации на сети наблюдений. К сожалению, гидрологическая сеть мониторинга деградировала. Она и раньше была не очень плотная, но по сравнению с началом 80-х годов она сократилась примерно на треть. Во всем мире тоже происходит сокращение сети наблюдений, но при этом все больше внедряются технологии дистанционных наблюдений, автоматические станции. У нас тоже это есть, но не так быстро, как хотелось бы. Есть и другие проблемы.

– Что внушает оптимизм?

– Технологии развиваются, прогнозы становятся все более надежными и точными,  со все большей заблаговременностью. Я сорок лет в этой области работаю и отлично знаю, как это все развивается. Но абсолютно точных прогнозов, которые позволили бы гарантировать защиту населения и объектов экономики, особенно в области гидродинамики, гидрологии, не существует. Так что у нас непочатый край работы.

Ситуация усложняется тем, что сейчас меняется еще и климат. Те модели, о которых мы с вами говорим, это новое поколение моделей, которые позволяют и этот фактор  учесть. Мы живем в интересное время развития новых методов, моделей и технологий, когда наши возможности решения гидрологических и гидроэкологических задач растут, и это внушает оптимизм. Главное, чтобы у нас была возможность привлечь к решению этих задач способную молодежь. Мы добились в этом определенных успехов, но ситуация все еще сложная.

Александр Наумович Гельфан, директор Института водных проблем РАН, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук