Факторы, влияющие на внедрение гидрологических исследований в практику

Финансирование исследований

Гидрологические исследования могут быть фундаментальными или прикладными, и иногда трудно связать разработку практических процедур с конкретным исследованием. Обычно, хотя и не всегда, для разработки эффективной практической гидрологической методики привлекаются значительные объемы инвестиций. Часто лишь страны с достаточно энергично развивающейся экономикой могут себе позволить «роскошь» немалых долгосрочных инвестиций в исследования на устойчивой основе. Исследования также дают возможность персоналу для обучения и развития и могут способствовать установлению научных контактов между сообществами и странами.

Гидрологические научные программы действуют в государственных организациях, университетах и в частном секторе. Международные организации и участвующих в гидрологических инновациях.

Европейская система оповещения о паводках (см. вставку А), которая в настоящее время достигла уровня практической зрелости, является примером такой инициативы.   

Политическая мотивация

Политическая мотивация к определению приоритетности гидрологических исследований побуждает к разработке практических приемов и методов. Понятно, что такая мотивация имеет тенденцию возникать после стихийных бедствий, особенно когда сильное наводнение или засуха влияют на коммунальное водоснабжение, сельское хозяйство и промышленность. Реакция на стихийные бедствия иногда способствует строительству гидротехнических сооружений, а не разработке новых или усовершенствованных методов. Например, проектирование и строительство защитного барьера на реке Темза в Лондоне было обусловлено чрезвычайно сильным разливом реки и наводнением в прибрежной зоне в 1953 г., что также послужило стимулом для совершенствования методологии картирования рисков внутриматериковых наводнений в Соединенном Королевстве. Тот факт, что представители правительственных органов признают долгосрочные климатические последствия, а также связанные с погодой краткосрочные гидрологические опасные явления, служит основой для признания необходимости устойчивых долгосрочных исследований и разработок.

Способность надлежащим образом подходить к решению проблем в рамках стратегического временного масштаба может помочь устранить затруднения в рамках более короткого оперативного временного интервала. Например, что касается речных паводков, то правильная долгосрочная оценка повторяемости паводков, нашедшая практическое применение в проектировании гидротехнического сооружения, может отчасти уменьшить полную зависимость от систем предупреждения о паводках. Стратегические инициативы, такие как руководимая ВМО Глобальная рамочная основа для климатического обслуживания (ГРОКО) и Сендайская рамочная программа по снижению риска бедствий, могут способствовать разработке или совершенствованию гидрологических методик, если будет предоставлено необходимое финансирование для достижения амбициозных и перспективных целей. Эти политические факторы являются значимыми аспектами методологических разработок, продиктованных спросом, в отличие от исследований, толчком к которым послужили идеи. Политическая мотивация также может быть одним из факторов поддержки использования гидрологического метода за пределами страны его разработки независимо от причины – будь то влияние, коммерческий интерес или озабоченность проблемами гуманитарного характера. Например, ВМО и организации США по оказанию помощи создали Систему оценки риска возникновения быстроразвивающихся паводков для Южно-Африканского региона, чтобы ограничить воздействие опасных гидрометеорологических явлений. Впоследствии расширенный вариант этой инициативы включил в себя региональные системы прогнозирования и предупреждения о паводках.

European Flood Awareness System (EFAS) fully operational from 2012 Оповещения о быстроразвивающихся ©ЕВОП паводках в октябре 2015 г.

Европейская система оповещения о паводках (ЕВОП), функционирующая в полном объеме с 2012 г. Объединенный исследовательский центр Европейского союза (ЕС) и другие организации Цель и метод: повышенная готовность к речным паводкам и обоснованная информация с предупреж­дением о паводках, передаваемая в страны Европы. Использование ансамблевого прогнозиро­вания осадков в ЕЦСПП (Европейский центр среднесрочных прогнозов погоды) в сочетании с гибридной концептуальной/физической моделью стока LISFLOOD, связанной с расчетом трансформации речного русла. Финансирование разработок: генеральные директораты Европейского союза и Парламент; эксперты, финансируемые странами; тестирование с привлечением национальных гидрологических служб.   Факторы, способствующие разработкам: признание на уровне ЕС того, что предыдущие оповещения о паводках не соответствовали требованиям стран и отличались по качеству, тем самым затрудняя планирование и организацию оказания помощи. Конкретным поводом для разработок явились сильные наводнения на реках Эльба и Дунай в 2002 г. Использование системы со стороны ЕС в качестве ключевой инициативы в области межнациональных усилий по смягчению последствий стихийных бедствий.   Факторы, влияющие на возможность перенесения: в систему встроена возможность для широкомасштабного охвата; может не подходить к более мелким пространственным масштабам. Методика пригодна для переноса в широких масштабах, если поддерживаются выходные данные метеорологической модели и механизмы переноса данных и если возможна калибровка гидрологической модели.

Универсальность методов

Результаты исследований с возможностью более широкого применения в различных областях имеют больше шансов для широкого распространения при прочих равных условиях. Безусловное предпочтение отдается высокоустойчивым методам, которые дают продукцию с малой неопределенностью. Исходя из научных и коммерческих соображений заметим, что ограничение применения не всегда можно точно установить, но оценка ожидаемого диапазона применимости метода должна быть представлена в интересах соответствующего и ответственного практического применения. От характера упрощающих допущений в теоретических и численных методах зависит то, как поведут себя общеприменимые методы на практике.

Разрабатываемые гидрологические методы и модели часто предназначаются для широкого использования, однако методы также могут включать некоторые неявные локальные, региональные или национальные особенности. Они могут иметь непосредственное отношение к гидрологической среде как таковой или, например, к тому, как обстоят дела со сбором гидрологических данных и их наличием в стране или регионе.

Системы расчета и моделирования, которые номинально носят общий характер, часто требуют установления значений параметров применительно к конкретной местности. Справочник по оценке паводков (см. вставку В) описывает систему оценок повторяемости речных паводков с помощью параметризованных эмпирических уравнений, охватывающих разные условия внешней среды в Британии. По своему характеру она более широко применима, но при этом прошла мало испытаний или перепараметризации за пределами своего региона разработки.

Возможность применения в других пространственных и временных масштабах также влияет на то, насколько широко может использоваться метод. В разных пространственных масштабах используются различные уровни конкретизации – это то, для чего большие вычислительные возможности не обязательно служат заменой (даже в том случае, когда данные не являются ограничивающим фактором). Особенно трудно обеспечить надежную методологию для экстремальных явлений с большими интервалами повторения, поскольку они редко наблюдаются и еще реже измеряются.

Критическая масса для эффективного использования

Критическая масса пользователей метода является одним из определяющих факторов его предпочтения по сравнению с другими похожими методами. В крупных государственных и частных организациях методы, обладающие приемлемыми уровнями универсальности и качества, часто принимаются как стандартные из-за их совместимости и очевидной эффективности. В свою очередь, их принятие повышает, по крайней мере, на некоторое время степень доминирования и срок эксплуатации конкретного метода.  Например, консультативный орган правительства Австралии рекомендовал метод моделирования низкого речного стока и прекращения стока (см. вставку С), поэтому эти процедуры широко используются в стране. Аналогично в Англии и Уэльсе регламентирующий орган в области охраны окружающей среды использует метод системы показателей, связанных с процессом, в качестве стандартной основы для определения потенциальной возможности для водозабора в рамках национальной стратегии лицензирования водопользования. Последний метод является примером метода, касающегося законодательного требования, хотя в законодательных актах нет указаний на конкретный метод. При таких обстоятельствах обычно достигаются долговечность и преимущество использования.

Методы гидрологического моделирования, которые используются как граничные условия суши в системах моделирования атмосферы, также получают широкое применение.

Сопутствующие материалы

Дополнительные руководящие материалы независимо от того, кем они разработаны, – авторами метода, пользователями или организациями, – помогают принять тот или иной метод. Предоставление учебных материалов играет важную роль в распространении и практическом использовании новых методов, а также в их внедрении в гидрологические образовательные программы. Растущий доступ к материалам через Интернет значительно расширил географический охват источников информации и программ дистанционного обучения.

Справочник по оценке паводков (СОП) за 1999 г. и приложения   Пример применения: вклад в гидравлическое моделирование рек для оценки риска паводков в масштабе страны. Подготовлен в развитие успешного Отчета об изучении паводков за 1975 г., который, в свою очередь, появился под влиянием сильного наводнения 1953 года. Факторы, влияющие на возможность перенесения: в принципе, можно использовать в других режимах умеренной влажности для водосборов размером от 0,5 до 1000 км2; взаимосвязи между гидрологическими переменными и свойствами водосборов не подвергаются широкой проверке за пределами Великобритании и требуют источников дополнительных данных.

Институт гидрологии, Уоллингфорд, СК Цель и метод: оценка осадков и расходов на пике речных паводков для ряда интервалов повторения в местах, по которым мало данных или они отсутствуют. Статистические методы и методы расчета гидрографа стока основаны на обобщенных данных. Финансирование разработок: министерство сельского хозяйства, рыболовства и продовольствия Англии и Уэльса (впоследствии Министерство окружающей среды, продовольствия и сельского хозяйства); дополнительное финансирование со стороны Научно-исследовательского совета СК по охране окружающей среды. Факторы, способствующие разработкам: необходимость, признанная на уровне министерств; сильное сообщество пользователей; использование регламентирующими органами в области охраны окружающей среды (Агентство по охране окружающей среды, Агентство по охране окружающей среды Шотландии); активно формирующееся признание того факта, что, возможно, этот Справочник является превосходным британским инструментом для оценки повторяемости паводков в местах, недостаточно охваченных данными.

Программное обеспечение

Гидрологические методы, представленные в виде ВМО играет ключевую роль в деятельности по международному распространению материалов и наращиванию потенциала в области гидрологии. К основным примерам широко используемых гидрологических учебно-справочных материалов ВМО относятся Руководство по гидрологической практике, Наставление по прогнозированию паводков и предупреждению о них и Наставление по оценке и прогнозированию низкого стока. Как и полагается, в этих материалах внимание в большей степени акцентировано на рассмотрении типов подходов к программных продуктов, дают дополнительные преимущества в поддержку широкого использования, особенно для разработчиков, создающих удобные для пользователя системы и предоставляющих бесплатное или очень дешевое программное обеспечение. Другое значительное преимущество достигается также за счет свободного предоставления исходных кодов, что дает возможность установить связь с другими методами и позволяет пользователям вносить изменения.

Система моделирования грунтовых вод «Modfl ow» Геологической службы США является примером программного обеспечения, принятого большими сообществами практиков не в последнюю очередь, потому, что ее исходный код имеется в свободном доступе.

Для эффективного применения на практике очень важно, чтобы в руководящих материалах и в процессе обучения допущения были абсолютно четко определены. При рассмотрении результатов видно, что в некоторых методах ключевые допущения не становятся очевидными, следовательно, область применения этих методов может быть не очевидной и может быть не обоснованно расширена.

Оценка и обратная связь

Оценка использования гидрологического метода дает ценные знания для будущих применений. Полная оценка включает информацию об ограничениях и о положительном опыте, хотя первое не всегда является той характеристикой, которой разработчики и/или пользователи охотно делятся из коммерческих или карьерных соображений. Более того, исследователи и практики не всегда поддерживают связь между собой в полной мере. Многие разработчики сами не являются пользователями-практиками, и распространение результатов своей работы за пределы сообщества их партнеров не является для них приоритетной задачей. Таким же образом многие практики не вникают в теоретические и методологические детали.  

Проводятся объективные оценки работы и практических возможностей различных методов. Некоторые из них финансируются пользователями или клиентами для удовлетворения конкретной потребности, тогда как другие, включая оценки ВМО, проводятся на более широкой основе.  

Выводы и рекомендации

Что касается множества разработанных гидрологических методов, то широкому внедрению и оперативному использованию того или иного метода способствуют следующие факторы:

надежная техническая основа, надежность в различных условиях окружающей среды с точки зрения пространства и времени, мотивация к распространению метода за пределы области исследований, наличие специалистов, способствующих эффективному использованию, определенная простота в использовании, эффективное руководство и соответствующая модернизация. Некоторые из этих факторов следуют из осознанных решений, другие менее однозначны и, в определенной степени, обусловлены случайным выбором и возможностями. Этот процесс не обязательно является откровенно детерминистическим и не основывается полностью на технических преимуществах.

Социально-экономические факторы наряду с техническими проблемами оказывают существенное влияние.

Вероятно, по сравнению с метеорологией в гидрологии используется более широкий диапазон приемлемых методологических подходов. В метеорологии существует общее соглашение относительно предпочтительного типа формулировок для описания атмосферы, которые создают основу для многих разработок в области моделирования и видов метеорологической и климатической продукции, полученных на основе моделирования. Эта разница отчасти обусловлена большей изменчивостью свойств материалов в физических областях, охваченных гидрологией, и отчасти диапазоном рассматриваемых гидрологических вопросов, включая разнообразные варианты вмешательства человека в гидрологический цикл и его изменение. Это может повысить степень конкуренции между альтернативными методами во многих областях гидрологических применений. Это вносит вклад в дискуссию относительно того, следует ли поддерживать стремление к включению в небольшую основную группу «стандартных» гидрологических методов или предпочесть распространение широкого диапазона альтернативных процедур.

Независимо от используемого метода настоятельно рекомендуется четко определять диапазон применимости разработанного и/или использованного гидрологического метода и корректировать эту оценку по мере накопления опыта практического использования. В отчеты большинства научно-прикладных проектов и практических гидрологических применений следует включать комментарий по этому поводу с тем, чтобы широкое гидрологическое сообщество в будущем повышало результативность эффективной гидрологии.

Оценка низкого стока в Австралии в 2012 г.

Д. Барма и И. Варли, по согласованию с другими экспертами, для Национальной комиссии по водным ресурсам Цель и метод: разработка наилучшего практического метода моделирования в стране для оценки низких речных стоков и прекращения стока на зарегулированных и незарегулированных реках. Гидрологическое моделирование с эмпирическим переносом на районы, недостаточно охваченные данными. Финансирование разработок: национальная комиссия по водным ресурсам, которая являлась в то время правительственным консультативным органом. Пример применения: повторная калибровка измерений низких стоков, например, для водосбора реки Дейли, Северная территория, с использованием комплексной модели поверхностных и грунтовых вод. Факторы, способствующие разработкам: признание правительством потребности в адекватном прогнозе в масштабе страны; признание потребности в согласованных процедурах калибровки для моделирования особенно режима низких стоков. Факторы, влияющие на возможность перенесения: предназначен для широкого применения в различных природных средах Австралии; препятствия могут возникнуть из-за недостаточного количества данных, особенно данных о распределении осадков и вмешательстве человека, например, с целью забора воды для орошения. Вставка C

Выражение признательности

Выражаю благодарность Брюсу Стюарту (бывший директор Департамента климата и воды ВМО) за предварительное обсуждение и редакционной коллегии ВМО.

Автор: Энн Калвер^[1]