CC BY
2ЖАРТЫЛАЙ Ц¥РГАЦ ОРТАЛЬЩ АЗИЯДА RS MINERVE ГИДРОЛОГИЯЛЬЩ МОДЕЛЬДЕУ ЖYЙЕСIН ЦОЛДАНУ
АВДКЕРИМ АЙДАНА САЙМЦЫЗЫ
Л.Н.Гумилев атындагы Е¥У Жаратылыстану гылымдар факультетшщ «Гидрология» мамандыгыныц магистранты, Астана, Каза;стан
АХМЕТОВ СЕРИК КАБДУАЛИЕВИЧ
Л.Н.Гумилев атындагы Е¥У Жаратылыстану гылымдар факультетшщ ага окытушысы, география гылымдарыньщ кандидаты, Астана, Каза;стан
Аннотация: Мацалада Орталыц Азияда взект1 болып табылатын аймацтыц ауцымдагы ец мацызды гидрологиялыц процестердг жэне болашац климат пен жерд1 пайдаланудыц взгеруг олардыц цогамдарына цалай эсер ететн жайлы тYсiндiрiледi. Эмпирикалыц, тужырымдамалыц жэне гидрологиялыц модельдер арасындагы айырмашылыцтарды тYсiндiрiлiп, деректерге цойылатын талаптар жэне модельдердщ ерекшелiктерi сипатталады. жэне модельдердщ осы турлертщ артыцшылыцтары мен кемшiлiктерi. Орталыц Азияныц ауа-райыныц цолайсыздыгына байланысты су ресуртарында байцалатын тэуекелдi талап ететт мэселелердi азайту жэне су цоймаларын пайдалану мен суаруды жоспарлау кезтде суды басцаруды жацсарту Yшiн аймацта Rs Minerve интегралды моделi мен цурамдас модельдерт цалай цолданатыны тYсiнiдiрiледi. Цазiргi тацда взен агыныныц гидрологиялыцмоделт ЖYзеге асыру Yшiн багдарламалыц ЖYйе цолжетiмдi турде усынылады жэне гидрологиялыц модельдi калибрлеу жэне тексеру Yшiн ец заманауи тэжiрибелер цолданылады.
Клт свздер: Гидрологиялыц модельдеу, RS Minerve инегралды моделi, Орталыц Азия, су ресурстары,климаттыц взгерк, HBV, GSM.
Орталы; Азияныц су шаруашылыгы секторы климаттыц езгеруше тэуелдi жэне казiргi жэне алдагы проблемаларды шешу Yшiн эзiрге жеткшкт зерттелулер жок. ^Каз1рп уакытта гидрологиялы; модельдеу ж^мыстарыныц кеп белшн шетелдш сарапшылар кейде кYмэндi сапамен жэне жергшкп сарапшыларга шектеулi тYPде береди Дэстур бойынша, Орталы; Азияныц ултты; метеорологиялы; жэне гидрологиялы; кызметтерi ез станболжам жасау жумыстарында станциялардыц мэлiметтер ;атарына CYЙенедi, бiрак болжам жасау ж^мыстарын ;олдау Yшiн санды; модельдердi ;олдану барган сайын зерттелуде. Сонымен ;атар, гидрологиялы; деректердi жинау жэне ецдеу сенiмдi модельдеудiц негiзi болып табылады. Басты назар тек станция деректерше гана емес, сонымен ;атар кашыктыктан зондтау жэне мэлiметтердi ;айта ецдеу ^ралдарына да аударылады. Осылайша, модельдеу ж^мыстары агынды сулардыц бай;алган езгерiстерiнiц Орталы; Азияныц кептеген жогаргы езендерiндегi климатты; езгерiстермен байланысы туралы бiлiмдегi олкылыктарды жоюга ы;пал етуi мYмкiн.
Орталы; Азияныц басты айма;тары ысты; жаз айларында ;¥рга; жазы;тарда агып жат;ан езендердiц ар;асында емiрге толы.
Орталы; Азия аумагы Каза;стан, Кыргызстан, Тэж1кстан, ТYрiкменстан, Эзбекстан жэне Ауганстан Араб эмiрлiгiнiц аума;тарын ;оса алганда, шамамен 4,6 млн. км2-ге созылады. Халы;тыц таралуы бiркелкi орналаспаган. Халы; саныныц негiзгi шогырланган айма;тардыц бiрi-Эзбекстан, Кыргызстан жэне Тэжiкстан арасында орналас;ан халы; тыгыз орналас;ан.
Жан басына шавдандагы жацартылатын судыц орташа жылды; ;оры шамамен 1500 м3 ;¥райды. Осылайша, Бiрiккен ¥лттар ¥йымыныц аныщтамасына сэйкес, айма; жалпы су тапшылыгын сезiнедi. Алайда, м^ндай айма;ты; кез;арас жогаргы жэне теменгi агыс елдерi арасындагы айтарлы;тай айырмашылы;тарды ескеред^ ал елдер бойынша сумен ;амтамасыз
етудщ негурлым егжей-тегжейлi KepceTK^Tepi жыл сайын жацартылатын су ресурстарыньщ бipкeлкi белшбейтшдшн анагурлым айк;ын кepceтeдi [1].
Water formation and use
Afghanistan
Сурет 1. Орталыц Азия бойынша нег1зг1 взен ЖYйелерi (дерек квзг - Zoi Environment
Network)
Жалпы аумактыц шамамен 70%-ын алып жаткан кец жазыктарда езен жYЙесi сирек таралган, таулы аймактардан агып жаткан езендер сагасына дейiн ic жYзiнде тартылып калады. Kyh радиациясыныц кептiгi, жогары температура, жауын-шашынныц аз мелшерi, ылгалдылыктыц болмауы, тураксыз кар жамылгысы, кiшiгiрiм беткейлер, геологиялык курылымдар жэне т.б. жергшкт ауылшаруашылык ендiрici Yшiн мацыздылыгына карамастан, Орталык Азия жазыктарында жер YCTi агындарыныц пайда болуына жол бермейдг Сырдария, Амудария жэне 1ле сиякты iрi езендер гана жYЗдеген шакырым шелдi басып етiп, тещзге шыга алмайтын мацызды су коймаларына - Арал тещзi мен Балкаш келше жете алады [2].
V"
+ /
Сурет 2. Орталыц Азия алцабында взен ЖYйесiнiц таралуы (дерек квзг -[2])
Орталык Азия таулары он мьщнан астам су агындарынан туратын ете тармакталган езен желiсiне енедi, бiрак су ресурстары бiркелкi таралмаган. Бул аймактар агынды сулардыц пайда болу аймактары деп аталады (сурет 2).
Тау жоталарын коршап турган жазык тау бектерiнде негiзгi езендердщ агынына Yлес коспайтын, керiсiнше езен желiсiнен суды агызып, оныц кеп белЫ буланатын суармалы оазистерге тарататын суару каналдарынан туратын тагы бiр тармакталган езен желiсi табылды. Эдетте бул аймактар су ресурстарын кешендi белу жэне пайдалану аймактары деп аталады.
Орталык Азияныц барлык езен бассейндерi агынсыз, су аймактан агып кетпейд^ тек атмосферага кайта буланады. Бул аймактагы мацызды механизм ретiнде ылгалды тасымалдаудыц мацыздылыгын керсетедi, ейткенi тауларда айтарлыктай су агындарыныц пайда болуы олардыц жазыктарда, соныц iшiнде суармалы оазистер мен келдерде, ягни Арал тецiзi мен Балкаш келiнде толык таралуымен жYредi [3].
Климаттыц жылынуымен жэне теменгi агыстагы жазыктардагы буланудыц жогарылауымен жэне таулы аймактардагы муздыктардыц азаюымен кар жамылгысыныц пайда болуын терец тYсiну одан да езект бола тYсуде. Бул, мысалы, 1980-2010 жылдар аралыгында теменгi жэне орта бшктштеп кейбiр негiзгi бассейндерде кар жамылгысыныц айтарлыктай темендеуш байкауга болатындыгымен дэлелденедi (сурет 3).
Сурет 3. Батыс Тянь-Шань тауларындагы цар жамылгысыныц улестщ взгеруг (дерек
квз1 -[4])
Таулы аймактарда кар тYрiнде жиналатын жауын-шашынныц азаюы аймактагы агын режимше эсер етедi деген консенсус бар. Бул эсерлердi гидрологиялык модельдер аркылы аньщтауга болады.
TiK температура градиентшщ болуына байланысты ауа температурасыныц оц маусымыныц басталуы, демек, аймактагы муз бен кардыц еру маусымыныц басталуы жылдыц бiр мезгiлiнде бiркелкi болмайды. Керiсiнше, кардыц еру процесi узакка созылады жэне белгiлi
6ip дренажды бассейндеГ таулар негурлым жогары болса, согурлым кейiнiрек сол жерде пайда болган езендерде кардыц еруiнен су таскыны болады.
^ар еру процес кар мен муздыктардыц туракты мелшерi бар аймактарда соцгы болып басталады. Осыган байланысты, дренажды бассейннщ жогаргы 6елiктерiнде кардыц еруi аркылы коректенетш езендер егiстiк алкаптарын суару Yшiн Yлкен мацызга ие, ейткенi олар шшде мен тамызда суармалы жазыктар катты кургакшыльщка ушыраган кезде жэне суармалы дакылдар суга ец кеп муктаж болган кезде судыц ец мацызды агынымен сипатталады. Бул шшара мэцгшк кар мен муз аймагыныц реттеушi эсершщ нэтижесi жэне теменп агыстагы ауылшаруашылык ендiрiсi тургысынан ете мацызды жэне бул езендер суару Yшiн гана емес, сонымен катар су электр куатыныц кезi ретшде де кунды [1].
Сурет 4. Ауганстанды цоспаганда, жартылай цургац Орталыц Азиядагы суармалы алцаптар, 2020 жыл (дерек квз1 -[1])
Осы себепт Орталык Азияда элемдеп ец iрi суару жуйелершщ Yйi болуы тацкаларлык емес. Су eзендердегi агынды сулардыц пайда болуыныц таулы аймактарынан шыккан сэттен бастап су суармалы жерлердi камтамасыз ету Yшiн оны буру Yшiн суару каналдарына жiберiледi. Орталык Азияныц ойпаттарында осы себептi табиги гидрология туралы айту мYмкiн емес, ейткеш ондаган мыц шакырымдык суару жэне дренажды; арналары бар гидрологиялык ландшафттар толыгымен жобаланган, олар кейбiр жагдайларда тiптi табиги езен бассейндерш кесiп eтедi. 4-суретте кeрсетiлгендейй жогаргы сол жактагы диаграмма ел децгешндеп статистиканы кeрсетедi, ал жогаргы оц жактагы диаграмма суарылатын аумактыц тYрiн кeрсетедi. Суармалы ауылшаруашылык емес алкаптар калалар мен бактардагы суармалы алкаптарга жатады.
Климаты eзгермелi Орталык Азия суларыныц бiркелкi таралмауы, су ресурстарын пайдалануда сугару жYЙесiнiц эркелкi дамуы мен экономикалык белсендiлiктiц эркелкi болуы аймактык су тапшылыгы мен су ресурстарын жобалауда мемлекет аралык бiрлестiктердi, халыкаралык децгейде гидрологиялык талдауды кажет етедi. Соган орай Орталык Азия аумагында кол жетiмдi гидрологиялык жэне гидрометриялык мэлiметтер мен болжау, жобалау куралдарын мецгеру Yлкен жетiстiктерге экеледi [5].
946*10э ha KAZAKHSTAN ^ 16%
Total irrigated agricultural areas of the year 2020 per country
KAZAKHSTAN
Элемнщ кургак; аймак;тарындагы су балансыньщ 03repicÎH багалау Yшiн гидрологиялык модельдеу жумыстары жасалады. Гидрологиялык-гидравликалык модельдер аукымды сурактарга, соныц шшде су ресурстарын казiргi жэне болашак мемлекетаралык белуге катысты сурактарга жауап беруге кемектеседi.Гидрологиялык-гидравликалык модельдер эртYрлi максаттарда, соныц iшiнде бассейннiц аукымы мен олардыц езгерiсiн эртYрлi даму нускаларын ескере отырып, бассейн жоспарларын эзiрлеу Yшiн, салалык пайдаланушылардыц эртYрлi тYрлерiн жэне бассейндегi суды пайдалануды ескере отырып, суды баскарудыц тиiмдi схемаларын зерттеу Yшiн, сондай-ак климатка эсердi егжей-тегжейлi зерттеу Yшiн колданылады.
Бул модельдеу пакеттерiнiц кепшiлiгi лицензияга негiзделгендiктен, QGIS, R жэне RS Minerve комбинациясын пайдаланумен жYргiзiледi, артыккшылыгы - кез келген пайдаланушы мен пайдалану сценаришне сэйкес келетiн толыгымен колжетiмдi багдарламалык курал.
Су алаптарын аныктауда ГАЖ деректерiн пайдалана отырып, RS Minerve интегралды моделi - муздыктар, кар, жер Yстi жэне жер асты кабаттарындагы жэне карастырылып отырган су агыныныц эртYрлi учаскелершдеп су балансыныц эволюциясын ескере отырып, жауын-шашынныц шогырланган концептуалды Yлгiлерiнiц эртYрлi тYрлерiн жылдам эзiрлеуге, сынауга жэне калибрлеуге мYмкiндiк бередi.
Орталык Азия езендерш модельдеу функционалдыгы мыналарды камтиды:
• Орталык Азиядан алынган гидрометеорологиялык деректердi (уакытша катарлар мен кайта талдау деректерi) коса алганда, агымдагы жэне болашактагы ауа райыныц эсерiн тиiмдi ецдеу;
• Модельдi автоматты тYPде куру Yшiн ГАЖ кабаттарын дайындау;
• Муздыктарды келемдш аудандар бойынша масштабтау;
• Кардагы су корыныц эквивалентi немесе агын узактыгыныц кисыктарын есептеу, модельдеу нэтижелерш кейiнгi ецдеу, мысалы шыгару жэне визуализация ;
• RS MINERVE гидрологиялык модельдеу багдарламалык куралыныц юрю жэне шыгыс файлдарын окуга жэне жазуга мYмкiндiк беретiн гидрологиялык модельдеу багдарламалык куралымен енгiзу/шыFару интерфейсi.
Деректердi дайындау процесiн автоматтандыру Yшiн функциялар косы!етан кезде Fана бул пакеттщ колайлы жактары пайда болады. «Жартылай курFак Орталык АзиядаFы гидрологиялык жYЙелердi модельдеу» кiтабында егжей тегжейлi жазылFан.
Кажетп R куралы пакеттерi келеi жумыс жоспарын каптиды. RS MINERVE гидравликалык-гидрологиялык модельдеу баFдарламалык куралына Common Language Runtime (CLR) аркылы тшелей R тшнен кол жеткiзуге болады, осылайша RS MINERVE GUI пайдалануынан кутылуFа болады жэне Yлкен модельдердщ бiрнеше рет iске косылуын жылдамдатады.
RS Minerve R GitHub репозиторийiнде Visual Basic интерфейсш RS MINERVE баFдарламасымен пайдалану Yшiн, CLR пэрмендерiн пайдалану жолына арналFан техникалык жадынамада мысалдар керсетiлген. Бул функияны колдануды RS MINERVE моделш жетiк мецгерген пайдаланушыларFа усынылады [6].
Деректердi дайындауды жэне гидрологиялык модельдеудi жаксартатын бiркатар KOлданыстаFы R пакеттерi бар (Slater et al., 2019). Бiрак, Орталык Азия езендерш коспаFанда, таулы аймактардаFы су ресурстарын баскаруды тиiмдi жэне колжетiмдi куралы болып табылатын RS MINERVE кемепмен гидрологиялык модельдеудi жецiлдететiн R пакет! жок.
Сонымен, RS MrNERVE-еркш жер Yстi аFыныныц калыптасуы мен таралуын модельдеу Yшiн колданылатын гидрологиялык-гидравликалык курал. Гидрологиялык процестерден баска, мысалы, кардыц еру^ муздыктар, жер Y^i жэне жер асты аFындары, гидравликалык баскару элементтерi де косылуы мYмкiн.
RS MINERVE эртYрлi тужырымдамалык жартылай белшген модельдердiц тiркесiмi негiзiнде жалпы аFынды модельдеуге мYмкiндiк бередi. Интегралдаетан модель HBV, GR4J,
§
сл
я
F о
сл
о; «
« <ь
W
< «
0 ï -2Î гъ S
1 О.
Оо
s; §
о
Оо S
О
о.
§
ст* О.
гъ
О
-е- «
^ о
,_»
43 fa
О
Ч fa
О
Ьн
К» к>
О о
к» К»
К» Н-
сл
ЧО 06
4- Н-
m >
К
00 п
К
^
Я >
О
m sí
i-J м
z 9
n è
m a
on M
HBV моделше уксас, GSM моделi жауын-шашынды температураFа байланысты катты жэне суйык болып беледi жэне кар жамылFысы модулiн камтиды. HBV snow модулiнен баска, GSM Snow модулi синусоидалы модуляцияны колдана отырып, кардыц еру коэффициентш маусымдык тYPде езгертуге мYмкiндiк бередi.
HBV моделшде тек кар моделi Yшiн 6 параметрдi шектеу керек. HBV жэне GSM модельдерi эр биiктiк диапазоны (HRU) Yшiн жауын-шашын мен температураныц уакыт катарларын колдана отырып жасалады [7].
Модельдеу процесiнiц бiрiншi кадамы калпына келтiру деректерiн талдауды камтиды. Деректер мыналарды камтиды: геокецiстiктiк деректер, жергшкт станция деректерi, кар мен муздыктар туралы мэлiметтер, сондай-ак климатты кайта талдау жэне болжау деректер^
Белгiлi болFандай, бул деректердi дайындау айтарлыктай жумыс келемiн, жергiлiктi сактау орнын жэне кейбiр жаFдайларда есептеу куатын кажет етедi.Деректердегi кателiктер raidi уакыт кезецiндегi узак мерзiмдi калпына келтсру нормаларымен толтырылады. Калпына кел^рудщ негiзгi сипаттамалары есептеледi (орташа жылдык калпына келтiру, орташа меншiктi аFын). Жумыста колданылатын "R riverscentralasia" пакет аFынды суларды сипаттауды жецiлдететiн бiркатар мYмкiндiктерге ие, яFни жылы жэне суык мезгiлдер мен гидрологиялык жылдар бойынша уакыт катарыныц деректерiн бiрiктiру немесе аFынды сулардыц нормадан ауыткуыныц автоматтандырылFан кестелерi курастыруFа болады. АFын деректерi Rs Minerve форматында сэйкес етшп ецделедi.
RS MINERVE жYЙесiнде модельдердi жартылай автоматты тYPде куру Yшiн пайдалануFа болатын ГАЖ параметрi бар. Бул функция HRU, езен сегменттерi жэне езен еткелдерi Yшiн келiсiлген ГАЖ кабаттарын дайындауды кажет етедь Модельдiц жартылай автоматты генерациясы Yшiн ГАЖ кабаттарын алуда геокещспкпк деректердiц, атап айтканда сандык рельефтш модельдердiц (DEMs) жэне сенсорлардыц орналасуы калай ецделетiнi сипатталFан. QGIS аркылы ецделген деректер RS MINERVE моделшде жобалаудыц неггзп кабаты ретiнде колданылады.
Жылдам езгеретiн элемде, мысалы, ауа-райын немесе кардыц тYсуiн сипаттайтын жаца деректер жиынты^ы немесе неFурлым куатты баFдарламалык шешiмдер Yнемi жоFары сапа мен жишкте кол жетiмдi болады, бул бурын орнатылFан жумыс процестерiн бейiмдеудi кажет етедi. Орталык Азияныц жоFарFы езендерiнiц бассейндерiндегi климатка эсерiн зерттеу Yшiн KOлданыстаFы модельдеу жумыс процес казiргi тацда кол жетiмдi. Акырында, болжамды корытындыны колдана отырып, уакыт катарын модельдеуге арналFан жобада су балансыныц шектеулерiнсiз болашакты болжау Yшiн модельдер талкылану нэтижесiн алуFа болады. Уакыт бойынша реттелген деректердегi зацдылыктарды зерттеу аркылы, мYмкiн маусым алдындаFы кар жамылFысы сиякты кемекшi деректер аркылы уакыт катарыныц Yлгiлерi саFаттардан маусымдарFа дейiнгi эртYрлi уакыт кезецдерi Yшiн белгiлi бiр жерде аFынды болжауда тиiмдi болуы мYмкiн екендш керсетiлдi.
nAH^A^AHbrnFAH a^EEHETTEP:
1. Siegfried, T., & Marti, B. (2022). Modeling of Hydrological Systems in Semi-Arid Central Asia Modeling of Hydrological Systems in Semi-Arid Central Asia (https://hydrosoluti ons. github.io/caham_book/).
2. GRDC, Koblenz, Germany: Federal Institute of Hydrology (BfG). 2020. "Major River Basins of the World / Global Runoff Data Centre, GRDC. 2nd, Rev. Ext. Ed." Shape.
3. 3.Shults, Victor. 1965. Rivers of Middle Asia. 2nd Edition. Gidrometeoizdat, Leningrad.
4. Karger, Dirk Nikolaus, Adam M. Wilson, Colin Mahony, Niklaus E. Zimmermann, and Walter Jetz. 2021. "Global daily 1 km land surface precipitation based on cloud cover-informed downscaling." Scientific Data 8 (1): 307. https://doi.org/10.1038/s41597-021-01084-6. https://doi.org/10.1038/s41597-021-01084-6.
5. Liu, Y., Fang, Y., & Margulis, S. A. (2021). High Mountain Asia UCLA Daily Snow Reanalysis. https://doi .org/10.5067/HNAUGJQXSCVU.
6. Marti, B. (2021). RSMinerveR. GitHub - hydrosolutions/RSMinerveR: I/O for RSMinerve in R : 2023-02-02; CREALP.
7. B.Marti, A.Zhumabaev, T. Siegfried. A comprehensive open-source course for teaching applied hydrological modelling in Central Asia: https://www.researchgate.net/publication/367464124_A_comprehensive_open-
source course for teaching applied hydrological modelling in Central Asia.
