http://www.ras.ru/digest/showdnews.aspx?id=70b04aad-d09f-493a-ae55-951c73bbc498&print=1© 2024 Российская академия наук
Безопасность страны моделируют в Институте водных проблем РАН
Защита от наводнений и смягчение дефицита воды в период засухи, улучшение качества природных вод и экологии рек, озер и водохранилищ - насущная проблема нашей страны. Эта задача приобретает особую актуальность на фоне меняющихся условий формирования водного режима, ибо традиционное противодействие угрозам водной безопасности основано на гипотезе стационарности климата и антропогенного воздействия на речные бассейны. В непредвиденных обстоятельствах оно может оказаться малоэффективным.
Отдел гидрологии речных бассейнов Института водных проблем РАН (ИВП РАН) в 2017 году стал победителем конкурса, объявленного Российским научным фондом для поддержки лабораторий мирового уровня. Проект «Новое поколение моделей, методов и технологий для противодействия современным угрозам водной безопасности» был заявлен ИВП РАН, но предполагал участие и других коллективов. В группу его исполнителей вошли еще специалисты кафедры гидрологии суши МГУ им. М.В.Ломоносова, Московской сельскохозяйственной академии им. К.А.Тимирязева, Московского государственного строительного университета и Дальневосточного регионального гидрометеорологического института. Руководство проектом осуществлял Дмитрий СОЛОМАТИН, один из ведущих мировых специалистов по гидроинформатике, профессор Технологического университета города Дельфта (Нидерланды).
- Мы планировали рассмотреть несколько групп задач: методических, прикладных, технологических, - рассказывает Дмитрий Петрович. - Все они направлены на создание нового поколения технологий и методов решения актуальных проблем водной безопасности в крупных речных бассейнах России. Сегодня, когда растут угрозы аварий на гидротехнических и водоочистных сооружениях из-за ухудшения их технического состояния и по многим другим причинам, мы стараемся построить единую методическую систему решения современных проблем водной безопасности на основе разработанных в ИВП РАН геоинформационных моделирующих комплексов. Они включают физико-математические модели формирования речного стока и качества вод суши, гидродинамические модели движения воды в речных системах, модели функционирования водно-ресурсных систем, а также современные автоматизированные средства анализа данных, геоинформационные системы для их обработки, методы машинного обучения и искусственного интеллекта.
Здесь важно подчеркнуть, что зарубежные технологии противодействия угрозам водной безопасности могут найти лишь ограниченное применение в России, так как они базируются на математических моделях, разработанных для условий формирования речного стока, отличающихся от наших. Создание современных отечественных технологий в этой сфере знаний - чрезвычайно актуальная задача, и проект направлен на ее решение.
- А прежде этого не делали?
- Традиционно отечественная школа очень сильна в гидрологии и численном моделировании динамики водных потоков, и эти работы надо продолжать, - отметил Дмитрий Петрович. - В области машинного обучения и искуственного интеллекта в России также достигнуты очень значимые результаты. Однако комбинация всех этих технологий позволяет поднять прогностические способности гидрологических моделей на новый уровень.
- Искусственный интеллект базируется на данных, - продолжает Д.Соломатин, - и когда их достаточно, можно «натренировать» некую модель, которая будет предсказывать будущие значения переменных, описывающих природные явления. Например, паводок можно предсказать за несколько дней или недель и таким образом подготовиться к возможным неприятностям или оптимально скорректировать планируемые сбросы воды из водохранилищ.
Ученые ИВП РАН прежде всего использовали в работе традиционные методы численного гидрологического моделирования. В институте существует сильная школа по этому направлению, которую еще в 1980-х годах создал профессор Л.С.Кучмент. Но нашей целью было интегрировать модели с источниками новых данных и с моделями машинного обучения, а также начать решать задачи, ориентированные на обеспечение водной безопасности. «Безопасность» - ключевое слово проекта, - подчеркивает Дмитрий Петрович. - Идея в том, чтобы не разгребать последствия катаклизмов или аварий, а предсказывать те же наводнения более точно, в большем количестве точек и тем самым предотвращать возможный ущерб хозяйству и населению. Оценки водной безопасности без прогностических моделей невозможны.
Еще одна идея проекта - технологическая. Мало написать научную статью и софт. Программные комплексы нужно сделать частью процесса принятия решений, ввести в оперативную работу. Это, конечно, прикладная часть, но мы же все хорошо понимаем, что наука должна не только генерировать статьи в престижных журналах, но и иметь практическую отдачу, служить людям. Большинство моделей, методов и технологий, созданных в ходе выполнения проекта, уже сейчас, за год до его окончания, внедрено в практику Росводресурсов, региональных отделений Росгидромета, «РусГидро» и других организаций, отвечающих за обеспечение водной безопасности.
- Что конкретно сделано?
- Созданы методы поддержки принятия решений при назначении режимов работы водохозяйственных и водно-энергетических расчетов Волжско-Камского каскада водохранилищ. Разработано программное обеспечение. Сценарные расчеты по моделям ECOMAG и VOLPOW, созданные ключевыми исполнителями проекта, используются специалистами Федерального агентства водных ресурсов для принятия решений по регулированию речного стока в этой сложнейшей многофункциональной системе. Разработы компьютерные технологии информационной поддержки управления риском наводнений на реках России. Технологии основаны на моделях ИВП РАН и включают системы прогноза водного режима рек и притока воды к водохранилищам, численного 2D-моделирования распространения паводков и динамики затопления населенных территорий. Эти технологии позволяют оценить опасность наводнений, просчитать эффективность существующих и планируемых к созданию защитных сооружений, дать рекомендации по защите населения и объектов экономики. Разработанные в рамках проекта технологии уже прошли или проходят испытания в управлениях Росгидромета для задач управления риском наводнений на паводкоопасных реках бассейна Амура. Система долгосрочного ансамблевого прогноза притока воды в Чебоксарское водохранилище тестируется в Гидрометцентре России. Созданы и хорошо себя показали системы краткосрочных прогнозов притока воды для Чебоксарского, Горьковского и Бурейского водохранилищ. Технологии на основе комплекса гидродинамического моделирования STREAM 2D CUDA, разработанного в ИВП РАН, позволили рассчитать распространение природных и техногенных наводнений и волн прорыва по урбанизированным территориям и каскаду водохранилищ (на примере заселенных участков долины Верхней Волги, рек Ока, Москва, Истра).
- Но владению этими технологиям надо учить?
- Конечно, в проекте предусмотрена часть, предполагающая создание на базе нашей лаборатории образовательных структур для обучения студентов, аспирантов и специалистов. Мы готовим учебно-методические комплексы, включающие лекции, практические занятия на основе новых технологий, аспиранты и студенты старших курсов, магистры смогут ими воспользоваться. Они умножат свои знания в области моделирования, предсказания наводнений и решения общих проблем водной безопасности в речных бассейнах.
- Дмитрий Петрович, вы как исследователь видите интерес к внедрению разработок со стороны министерств, ведомств?
- Несомненно. Наводнения на Дальнем Востоке, да и в других регионах случаются часто, и специалистам, которые там работают, нужны технологии для повышения водной безопасности. На основе собственного опыта, однако, знаю, что многие настолько загружены своей ежедневной работой, что им не до инноваций. Практики и рады бы освоить новое, но они часто связаны инструкциями (многие из которых, впрочем, «написаны кровью»). Так что, перефразируя Ильфа и Петрова, внедрение трудов ученых - дело рук самих ученых. Внедрением новых моделей и технологий надо заниматься, ведь многие специалисты, которых готовили 20-30 лет назад, не имеют полного представления о методах моделирования и прогнозов, которые помогают им решать их задачи. Это проблема не только РФ, но и многих других стран.
- Что нужно для ее решения?
- Повышение квалификации, курсы… Сошлюсь на свой опыт. Я много лет преподаю в институте повышения квалификации в Нидерландах, куда 200 слушателей каждый год приезжают на магистерские программы из 65 стран и еще около 500 - на различные короткие курсы. Гидроинформатика, геоинформатика, моделирование и управление рисками наводнений, вопросы экологической безопасности составляют важную часть их обучения. Я надеюсь, что наш проект позволит развить эти направления в России. Мне кажется, стоит дополнить образовательные программы в университетах. Понимаете, надо не только учить науке, гидрологии и гидравлике, тому, как процессы происходят в природе (что, несомненно, необходимо), но также дать в руки будущим инженерам и менеджерам в области водных ресурсов современные инструменты, которые им позволили бы решать проблемы. То есть системы гидроинформатики, интегрирующие системы моделирования и прогнозирования, системы анализа больших данных с использованием методов искусственного интеллекта, интегрированные с глобальными прогнозами погоды, и т. п. Я думаю, что подобные образовательные программы привлекут и большое количество способных молодых людей, увлеченных информатикой.
- Сколько человек работают по гранту?
Тридцать человек, из них более половины - молодые ученые в возрасте до 39 лет, аспиранты и студенты. Плюс мы организовывали молодежные школы. На первую, в 2017 году, отдел гидрологии речных бассейнов ИВП РАН пригласил студентов, аспирантов и молодых ученых соответствующих специальностей со всей России. Называлась она «Моделирование и прогнозы речного стока, управление гидрологическими рисками: к новому поколению методов». А всего школ было уже три, в них участвовали ученые мирового уровня из США, Великобритании, Германии, Греции, Нидерландов, России, Тайваня, Франции и Швейцарии. Они с удовольствием откликнулись на предложение выступить с лекциями. Проводили их на разных площадках: в Институте прикладной физики РАН в Нижнем Новгороде, в столице, в здании Президиума Российской академии наук, и в МГУ им. М.В.Ломоносова.
- Школа будет существовать дальше?
- Хороший вопрос. В этом году мы не можем проводить ее очно, она будет онлайн. Даже если гранта не будет, может быть, мы на следующий год проведем опять эту школу онлайн, ведь людям не надо никуда ехать, да и народу сможем собрать больше.
- Вы впервые работаете с РНФ? Каковы плюсы и минусы?
- С РНФ - впервые. Все четко и профессионально. Я очень рад, что государство уделяет внимание такого рода научным проектам. Важно, что грант ориентирован на привлечение молодых ученых и специалистов. Минусов не вижу.
- Грант заканчивается в этом году, а исследования продолжатся?
- Мы с удовольствием продолжили бы. Во-первых, потому, что сформировался коллектив хороший, высокопрофессиональный, с отличным взаимопониманием и доверием, а это важно. Во-вторых, в ходе работы возникают новые задачи. Как ни прискорбно, но угроз водной безопасности становится все больше. Модели и методы постоянно и быстро развиваются, их надо тестировать и внедрять в практику. Хотелось бы продолжить, есть ряд очень интересных идей и еще больше проблем, ждущих решения. Самое главное, что мы смогли получить, - это новые научные результаты в области моделирования гидрологических процессов, поскольку моделирование - это центр всего проекта. Эти модели используются при управлении водными ресурсами, а управление само по себе не модель, а люди. Но люди без прогностических моделей не могут принимать оптимальные решения, это абсолютно точно.
Наши модели были протестированы на ряде крупных речных бассейнов РФ. Созданы технологии, где эти модели встроены в цепь, которая включает получение данных (во многом автоматизированное) со станций наблюдения, гидропостов, дистанционного зондирования Земли и с моделей прогноза погоды. Показано, насколько они полезны для решения задач водной безопасности.
Сделаны наработки по образованию, которые стали частью учебных комплексов и будут предложены аспирантам и магистрам МГУ, ИВП РАН и любых других вузов.
Хочу отметить роль сотрудников ИВП РАН и особенно его директора Александра Гельфана. Без него этот грант не состоялся бы. Я очень рад, что в этом проекте мне удалось поработать с коллегами из ИВП, с кафедры гидрологии МГУ, из Тимирязевки и других организаций, профессионалами высочайшей пробы и, что немаловажно, энтузиастами настоящей науки.
- Да, под крышей нашего Института удалось собрать очень сильную команду, - подтвердил Александр Наумович Гельфан, слушая нашу беседу с руководителем проекта. - Это оказалось возможным прежде всего благодаря серьезной финансовой поддержке РНФ: на протяжении вот уже трех с половиной лет выполнения проекта мы обеспечиваем достойную зарплату ведущим специалистам и молодым ученым, закупаем необходимое оборудование, имеем возможность приглашать ведущих ученых для обучения молодежи, широко представлять результаты проекта на крупнейших международных конференциях и семинарах. И результаты такой поддержки говорят сами за себя: опубликованы свыше сорока статей в высокорейтинговых научных журналах, защищены диссертации, в ИВП РАН пришли на работу перспективные молодые специалисты, разработанные исполнителями проекта технологии внедрены в практику профильных министерств и ведомств, стали традицией школы молодых ученых. Этот проект - яркий пример того, сколь эффективной может быть академическая наука при ее достойном финансировании.