Calculation of catastrophic floods characteristics of ungauged Tsemes River (Novorossiysk, the Black sea coast of Russia) on the basis of hydrological model “Hydrograph”
DOI:
https://doi.org/10.21638/spbu07.2019.102Abstract
The article considers the examples of calculation of catastrophic floods characteristics at ungauged rivers of the Black sea coast of Russia. Mathematical modeling of hydrological processes is proposed as an alternative to the standard methods of assessment of engineering characteristics based on a probabilistic approach in the climate change conditions. The deterministic hydrological model Hydrograph was applied to estimate the maximum water discharges of the ungauged Tsemes river (Novorossiysk). The set of model parameters was developed and verified at studied catchments. Continuous simulations of streamflow were conducted at the Tsemes River with a daily resolution for the period 1977-2013. Using detailed pluviograms data of storm precipitation at Novorossiysk and nearby meteorological stations, 1-hour maximum water discharge of three catastrophic floods on Tsemes river was calculated for flood events in 1988, 2002 and 2012 and compared with the characteristics of maximum discharges obtained on the basis of calculations according to the standard methods SP-33-101-2003 (SP). The maximum simulated discharges in 2002 and 2012 were 284 and 361 m3/s and correspond to maximum discharges of 1% probability calculated on the basis of the SP. However, estimated water discharge for the catastrophic flood in 1988 reached 688 m3/s, which is twice the value of 1% probability estimated with standard methods. The analysis of the simulation results has shown that the maximum discharge depends on the antecedent state of the catchment, which cannot be explicitly taken into account when using probabilistic calculation methods. The possibility of using mathematical modeling as an approach for assessment of probable maximum flood (PMF), which allows taking into account the combination of the most unfavorable meteorological and runoff formation factors that can lead to the occurrence of PMF, is discussed. The development of methods based on the integrated use of mesoscale atmospheric models and deterministic hydrological models is important as a prospect. The developed methods for assessing the frequency and magnitude characteristics of catastrophic floods can be used to solve engineering problems in climate change conditions.
Keywords:
deterministic hydrological “Hydrograph” model, instant maximum discharge, Black sea coast river basins, Tsemes river, parameterization, catastrophic floods, storm rainfall
Downloads
Download data is not yet available.
References
Литература
Алексеева, А. А., 2014. Подходы к решению проблемы прогнозирования сильных летних осадков. Труды гидрометеорологического научно-исследовательского центра Российской Федерации 351, 64–84.
Асарин, А. Е., Жиркевич, А. Н., 2012. О необходимости разработки методики расчета вероятного максимального паводка для инженерно-гидрологических расчетов в России. Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление 4, 53–64.
Барабанов, В. С., Ефимов, В. В., Шокуров, М. В., 2003. Об использовании мезомасштабной модели для расчета полей приводного ветра и осадков над Черным морем. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон моря 2(7), 177–189.
Белякова, П. А., Гарцман Б. И., 2017. О перспективах прогнозирования паводков на реках западного Кавказа с использованием воднобалансовой модели FCM, в: Экологические последствия чрезвычайных ситуаций: актуальные проблемы и пути их решения. Материалы XXII Международной научно-практическая конференции по проблемам защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, 53–57.
Болгов, М. В., Коробкина, Е. А., 2013. Реконструкция дождевого паводка на реке Адагум на основе математических моделей формирования стока. Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление 3, 87–102.
Быков, А. В., Калинин, Н. А., Шихов, А. Н., 2017. Прогноз опасных и неблагоприятных явлений погоды на среднем Урале с применением мезомасштабной модели WRF. Современные проблемы географии и геологии к 100-летию открытия естественного отделения в Томском государственном университете: материалы IV Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 223-226.
Виноградов, Ю. Б., 1988. Математическое моделирование процессов формирования стока (опыт критического анализа). Гидрометеоиздат, Ленинград.
Виноградов, Ю. Б., Виноградова, Т. А., 2010. Математическое моделирование в гидрологии. Академия, Москва.
Воробьев, Ю. Л., Акимов, В. А., Соколов, Ю. И., 2003. Катастрофические наводнения начала XXI века: уроки и выводы. ДЭКС-Пресс, Москва.
Георгиевский, В. Ю., Ткаченко Ю. Ю., 2012. Катастрофический паводок в бассейне р. Адагум 6–7 июля 2012 г. и его причины. URL: http://meteoweb.ru/biblio/27.pdf (дата обращения: 20.01.2019).
Колтерманн, К. П., Добролюбов, С. А., Алексеевский, Н. И., 2012. Природные и социальные риски в береговой зоне Черного и Азовского морей. Триумф, Москва.
Ландшафтная карта СССР. Масштаб 1 : 2 500 000 (в 1 см 25 км), 1980 / Гудилин, И. С. (под ред.). Гидроспецгеология, Москва.
Лично приеду в районы Сочи, пострадавшие от паводка, 2015. URL: http://www.obeschania.ru/documents/promises/sochi-pavodok (дата обращения: 20.01.2019).
Макарьева, О. М., 2018. Комплексная программа распределенной гидрологической модели «Гидрограф», в: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018619084. Роспатент, Москва.
Макарьева, О. М., Бельдиман, И. Н., Лебедева, Л. С., Виноградова, Т. А., Нестерова, Н. В., 2017. К вопросу об обоснованности рекомендации СП 33-101-2003 для расчетов характеристик максимального стока малых рек в зоне распространения многолетней мерзлоты. Инженерные изыскания 6–7, 50–63.
Макарьева, О. М., Виноградова, Т. А., Нестерова, Н. В., Виноградов, А. Ю., Бельдиман, И. Н., Колупаева, А. Д., 2018. Моделирование катастрофических паводков в бассейне р. Туапсе. Геориск 12(3), 78–89.
Метеорологический ежемесячник. I–XIII, 1964–1983, 13. Гидрометеоиздат. Ростов-на-Дону.
Наводнения в Краснодарском крае с 2010 года: хронология, 2015. URL: https://tass.ru/info/2071994 (дата обращения: 20.01.2019).
Нестерова, Н. В., Макарьева, О. М., Виноградова, Т. А., Лебедева, Л. С., 2018. Моделирование процессов формирования стока зоны Байкало-Амурской магистрали на основе данных полигона «Могот». Водное хозяйство России 1, 18–36.
Панов, В. Д., Базелюк, А. А., Лурье, П. М., 2012. Реки Черноморского побережья Кавказа: гидрография и режим стока. Донской издательский дом, Ростов-на-Дону.
Перегретое море, 2015. URL: http://www.geo.ru/ekologiya/peregretoe-more (дата обращения: 26.07.2018).
Рождественский, А. В., Лобанова, А. Г., 2010. Приложения к пособию по определению расчетных гидрологических характеристик. Государственный гидрологический институт, Санкт-Петербург
СП 33-101-2003, 2004. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Госстрой России, Москва.
Справочник по климату СССР. Серия 3. Многолетние данные 13, 1966. Гидрометеоиздат, Ленинград
Шокуров, М. В., 2012. Численное моделирование катастрофических погодных явлений в Черноморском регионе. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа 2(26), 301–320.
Lebedeva, L. S., Semenova, O. M., Vinogradova, T. A., Kruchin, M. N., Volkova, N. V., 2015. Proceedings of IAHS 370, 161–165. URL: https://doi.org/10.5194/piahs-370-161-2015
Moriasi, D. N., Arnold, J. G., Van Liew, M. W., Bingner, R. L., Harmel, R. D., Veith, T. L., 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. ASABE 50(3), 885–900. URL: https://doi.org/10.13031/2013.23153
Meredith, E. P., Semenov, V. A., Maraun, D., Park, W., Chernokulsky A. V., 2015. Crucial role of Black Sea warming in amplifying the 2012 Krymsk precipitation extreme. Nature Geosceince 8, 615–620. URL: https://doi.org/10.1038/NGEO2483
Nash, J. E., Sutcliffe, J. V., 1970. River flow forecasting through conceptual models: A discussion of principles. Journal of Hydrology 10(3), 282–290.
The Euromediterranean Network of Experimental and Representative Basins (ERB). URL: http://erb-network.simdif.com/ (date accessed: 28.09.2018)/
References
Alekseeva, A. A., 2014. Podkhody k resheniiu problemy prognozirovaniia sil’nykh letnikh osadkov [Approaches to solving the problem of forecasting strong summer precipitation]. Gidrometeorologicheskii nauchno-issledovatel’skii tsentr Rossiiskoi Federatsii [The proceedings of the hydrometeorological scientific center of the Russian Federation] 351, 64–84. (In Russian)
Asarin, A. E., Zhirkevich, A. N., 2012. O neobkhodimosti razrabotki metodiki rascheta veroiatnogo maksimal’nogo pavodka (PMF) dlia inzhenerno-gidrologicheskikh raschetov v Rossii [On the need to develop a method of calculating the probable maximum flood for engineering and hydrological calculations in Russia]. Vodnoe khoziaistvo Rossii: problemy, tekhnologii, upravlenie [Water industry of Russia: problems, technologies, management] 4, 53–64. (In Russian)
Barabanov, V. S., Efimov, V. V., Shokurov, M. V., 2003. Ob ispol’zovanii mezomasshtabnoi modeli dlia rascheta polei privodnogo vetra i osadkov nad Chernym morem [On the use of a mesoscale model for the calculation of driving wind and precipitation fields over the Black sea]. Ekologicheskaia bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa [Environmental safety of the coastal and shelf zones of the sea] 2(7), 177–189. (In Russian)
Belyakova, P. A., Gartsman, B. I., 2017. O perspektivakh prognozirovaniia pavodkov na rekakh zapadnogo Kavkaza s ispol’zovaniem modeli vodnogo balansa FCM [On the prospects of flood forecasting on the rivers of the Western Caucasus using the FCM water balance model]. XXII Mezhdunarodnaia nauchno-prakticheskaia konferentsiia po problemam zashchity naseleniia i territorii ot chrezvychainykh situatsii: “Ekologicheskie posledstviia chrezvychainykh situatsii: aktual’nye problemy i puti resheniia” [Ecological consequences of emergency situations: actual problems and ways of their solution. Proceedings of the XXII International scientific-practical conference on the protection of population and territories from emergency situations], 53–57. (In Russian)
Bolgov, M. V., Korobkina, E. A., 2013. Rekonstruktsiia dozhdevogo pavodka na reke Adagum na osnove matematicheskikh modelei formirovaniia stoka [Reconstruction of the rain flood on the Adagum river based on mathematical models of flow formation]. Vodnoe khoziaistvo Rossii: problemy, tekhnologii, upravlenie [Water economy of Russia: problems, technologies, management] 3, 87–102. (In Russian)
Bykov, A. V., Kalinin, N. A., Shikhov, A. N., 2017. Prognoz opasnykh i neblagopriiatnykh iavlenii pogody na srednem Urale s primeneniem mezomasshtabnoi modeli WRF [Prediction of dangerous and adverse weather events in the middle Urals using the mesoscale WRF model]. Sovremennye problemy geografii i geologii k 100-letiiu otkrytiia estestvennogo otdeleniia v Tomskom gosudarstvennom universitete: materialy IV Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Modern problems of geography and Geology to the 100th anniversary of the opening of the natural branch in Tomsk State University: materials of the IV all-Russian scientific-practical conference with international participation], 223–226. (In Russian)
Georgievsky, V. Yu., Tkachenko, Yu. Yu., 2012. Katastroficheskoe navodnenie v basseine reki Adagum 6–7 iiulia 2012 g. i ego prichiny [Catastrophic flooding in the basin of the Adagum river 6–7 July 2012 and its causes]. URL: http://meteoweb.ru/biblio/27.pdf (date accessed: 20.01.2019). (In Russian)
Koltermann, K. P., Dobrolyubov, S. A., Alexis, N. I., 2012. Prirodnye i sotsial’nye riski v beregovoi zone Chernogo i Azovskogo morei [Natural and social risks in the coastal zone of the Black and Azov seas]. Triumf, Moscow. (In Russian)
Landshaftnaya karta SSSR. Masshtab 1 : 2 500 000 (v 1 cm 25 km) [Landscape map of the USSR. Scale 1 : 2,500,000 (in 1 cm 25 km), 1980 / Gudilin, I. S. (Ed.). Gidrospetsgeologiya, Moscow. (In Russian)
Lebedeva, L. S., Semenova, O. M., Vinogradova, T. A., Kruchin, M. N., Volkova, N. V., 2015. Evaluating extreme flood characteristics of small mountainous basins of the Black Sea coastal area, Northern Caucasus. Proc. IAHS 370, 161–165. URL: https://doi.org/10.5194/piahs-370-161-2015
Lichno priyedu v rayony Sochi, postradavshiye ot pavodka [I will personally come to the flood-affected areas of Sochi], 2015. URL: http://www.obeschania.ru/documents/promises/sochi-pavodok (date accessed: 20.01.2019).
Makarieva, O. M., 2018. Kompleksnaia programma raspredelennoi gidrologicheskoi modeli “Gidrograf” [Complex program of the distributed hydrological model “Hydrograph”]. In: Svidetel’stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlia EVM № 2018619084 [Certificate of state registration of the computer program No. 2018619084]. Rospatent, Moscow. (In Russian)
Makarieva, O. M., Beldiman, I. N., Lebedeva, L. S., Vinogradova, T. A., Nesterova, N. V., 2017. K voprosu ob obosnovannosti rekomendatsii SP 33-101-2003 dlia raschetov kharakteristik maksimal’nogo stoka malykh rek v zone rasprostraneniia mnogoletnei merzloty (v poriadke diskussii) [On the issue of validity of recommendations from SP 33-101-2003 for assessment of maximum flow characteristics of small river in the permafrost zone]. Inzhenernye izyskaniia [Engineering surveys] 6–7, 50–63. (In Russian)
Makarieva, O. M., Vinogradova, T. A., Nesterova, N. V., Vinogradov, A. Yu., Beldiman, I. N., Kolupaeva, A. D., 2018. Modelirovanie katastroficheskikh pavodkov v basseine r. Tuapse [Modeling of catastrophic floods in the Tuapse river basin]. Georisk [Georisk] 12(3), 78–89. (In Russian)
Meredith, E. P., Semenov, V. A., Maraun, D., Park, W., Chernokulsky, A. V., 2015. Crucial role of Black Sea warming in amplifying the 2012 Krymsk precipitation extreme. Nature Geoscience 8, 615–620. URL:https://doi.org/10.1038/NGEO2483
Monthly meteorological data. I-XIII, 1964–1983, 13. Hydrometeoizdat, Rostov-on-Don. (In Russian)
Moriasi, D. N., Arnold, J. G., Van Liew, M. W., Bingner, R. L., Harmel, R. D., Veith, T. L., 2007. Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. ASABE 50(3), 885–900. URL: https://doi.org/10.13031/2013.23153
Nash, J. E., Sutcliffe, J. V., 1970. River flow forecasting through conceptual models: a discussion of principles. Journal of Hydrology 10(3), 282–290.
Navodneniya v Krasnodarskom kraye s 2010 goda: khronologiya [Floods in the Krasnodar Territory since 2010: chronology], 2015. URL: https://tass.ru/info/2071994 (date accessed: 20.01.2019).
Nesterova, N. I., Makarieva, O. M., Vinogradova, T. A., Lebedeva, L. S., 2018. Modelirovanie protsessov formirovaniia stoka zony baikalo-amurskoi magistrali na osnove dannykh poligona “Mogot” [Modelling runoff formation processes at the BAM zone based on the data of the Mogot research site]. Vodnoe khoziaistvo Rossii: problemy, tekhnologii, upravlenie [Water economy of Russia] 1, 18–36. (In Russian)
Panov, V. D., Bazelyuk, A. A., Lurie, P. M., 2012. Reki Chernomorskogo poberezh’ia Kavkaza: gidrografiia i rezhim stoka [Rivers of the Black sea coast of the Caucasus: hydrography and flow regime]. Don, Rostov-on-Don. (In Russian)
Peregretoye more [Superheated Sea], 2015. URL: http://www.geo.ru/ekologiya/peregretoe-more (date accessed: 26.07.2018).
Rozhdestvensky, A. V., Lobanova, A. G., 2010. Applications to the manual on the determination of the calculated hydrological characteristics. State Hydrological Institute, St. Petersburg. (In Russian)
SP 33-101-2003, 2004. Determination of the main calculated hydrological characteristics, Gosstroy Rossii, Moscow. (In Russian)
Reference book on climate of the USSR. Issue 3, 1966. Hydrometeoizdat, Leningrad. (In Russian)
Shokurov, M. V., 2012. Chislennoe modelirovanie katastroficheskikh pogodnykh iavlenii v Chernomorskom regione [Numerical simulation of catastrophic weather events at the Black sea region]. Ekologicheskaia bezopasnost’ pribrezhnoi i shel’fovoi zon i kompleksnoe ispol’zovanie resursov shel’fa [Environmental safety of coastal and shelf zones and integrated use of shelf resources] 2(26), 301–320. (In Russian)
Vinogradov, Yu. B., 1988. Matematicheskoe modelirovanie protsessov formirovaniia potokov (opyt kriticheskogo analiza) [Mathematical modeling of flow formation processes (critical analysis experience)], Hydrometeoizdat, Leningrad. (In Russian)
Vinogradov, Yu. B., Vinogradova, T. A., 2010. Matematicheskoe modelirovanie v gidrologii [Mathematical modeling in hydrology]. Academy, Moscow. (In Russian)
Vorobyov, Y. L., Akimov, V. A., Sokolov, Y. I., 2003. Katastroficheskie navodneniia nachala XXI veka: uroki i vyvody [Catastrophic floods of the early XXI century: lessons and conclusions], DEKS-Press, Moscow. (In Russian)
The Euromediterranean Network of Experimental and Representative Basins (ERB). URL: http://erb-network.simdif.com/ (date accessed: 28.09.2018)/
Downloads
Published
2019-05-19
How to Cite
Макарьева, О. М. (2019) “Calculation of catastrophic floods characteristics of ungauged Tsemes River (Novorossiysk, the Black sea coast of Russia) on the basis of hydrological model ‘Hydrograph’”, Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences, 64(1), pp. 24–43. doi: 10.21638/spbu07.2019.102.
Issue
Section
Articles
License
Articles of "Vestnik of Saint Petersburg University. Earth Sciences" are open access distributed under the terms of the License Agreement with Saint Petersburg State University, which permits to the authors unrestricted distribution and self-archiving free of charge.
