River network modeling is based on a two-parameter model and regional parameter generalization (using the example of the Black Sea coast of the Caucasus)
Authors
- Vasilisa F. Tolkacheva Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences , Институт водный проблем РАН https://orcid.org/0009-0009-5093-6476
- Boris I. Gartsman Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences; Institute of natural and technical systems , Институт водный проблем РАН; Институт инженерно-технических систем https://orcid.org/0000-0002-5876-7015
- Andrey L. Entin Lomonosov Moscow State University; Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences , , МГУ имени М. В. Ломоносова; Институт водный проблем РАН https://orcid.org/0000-0002-0350-5587
DOI:
https://doi.org/10.34753/HS.2025.7.2.166+ Keywords
+ Abstract
Modern enhancement of hydrological models, which are key tools for studying near-surface moisture circulation processes, under conditions of a variable climate, complex terrain geometry, and limited observational data, requires a comprehensive expansion of both theoretical and informational foundations. The most significant research task is the holistic development of methods and technologies for analyzing the structure of river systems and the morphology of their basins. The goal and foundation of the research is the development of methods and technologies for modeling river networks based on digital elevation models (DEMs). The study examines the possibility of constructing a regional river network model, including for unstudied basins, using modern methods and technologies of structural-hydrographic analysis of river systems. Modeling was performed using the FABDEM DEM in the ArcMap 10.8.2 environment, using a custom add-in tool for the ArcGIS Desktop environment that implements a unified algorithm for determining stream sources and constructing river networks based on selecting a threshold value of the initiation function (criterion index). In this study, a model with two calibrated parameters was applied to address the problem of "short" tributaries in river network modeling. Using the example of the Black Sea coast of the Caucasus, the capabilities of modeling a river network with two parameters were demonstrated using various options for initiation functions, and the most suitable ones were selected using a ranking method. Differences in river network modeling in basins with varying elevation characteristics were analyzed, and the advantage of the comprehensive energy index (CEI) for modeling river networks in mid- and low-mountain areas was shown. The feasibility of modeling river networks based on regional generalizations of model parameters was demonstrated.
+ Author Biographies
engineer, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, SPIN-code: 7337-0841, AuthorID: 1116285, https://orcid.org/0009-0009-5093-6476, WoS ResearcherID: JOK-0533-2023 D. Sc. (Geography), Associate Professor, Chief Researcher, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, Institute of natural and technical systems, Sevastopol, Russia, SPIN:7792-9120, https://orcid.org/0000-0002-5876-7015 Ph. D. (Geography), senior researcher, Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia; researcher, Water Problems Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia, SPIN-code: 2012-3433; AuthorID: 918625; WoS ResearcherID: V-3775-2017; Scopus Author ID: 57202589652, https://orcid.org/0000-0002-0350-5587
Vasilisa F. Tolkacheva
Boris I. Gartsman
Andrey L. Entin
+ References
Bloschl G., Sivapalan M. “Scale issues in hydrological ¨ modelling: a review,” Hydrological Processes, vol. 9, no. 3-4, pp. 251–290, 1995.
Haddeland J., Heinke H., Biemans et al. Global water resources affected by human interventions and climate change. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, vol. 111, no. 9, pp. 3251–3256.
Cudennec C., Gelfan A., Ren L., Slimani M. Hydrometeorology and hydroclimate. Advances in Meteorology, 2016, vol. 2016, p. 1487890. DOI: 10.1155/2016/1487890.
Иглин С. М., Морейдо В.М., Головнин К. И. Прогнозирование редких гидрологических явлений методами машинного обучения на примере ледовых заторов на реке Печоре // Вестник Московского университета. Серия 5: География. 2025. Т. 80, № 1. С. 87-97. DOI: 10.55959/MSU0579-9414.5.80.1.6.
Iglin S.M., Moreido V.M., Golovnin K.I. forecasting rare hydrological events by machine learning methods: case study of ice jams on the Pechora River. Bulletin of the Moscow University. Episode 5: Geography. 2025, vol. 80, iss. 1, pp. 87–97. (In Russian; abstract in English). DOI: 10.55959/MSU0579-9414.5.80.1.6.
Cudennec C., Lavenne A. de. Hydrogeomorphology — a long-term scientific interface. Hydrology Research, 2015, vol. 46, no. 2, pp. 175–179.
Гарцман Б.И., Бугаец А.Н., Тегай Н.Д. Краснопеев С.М. Анализ структуры речных систем и перспективы моделирования гидрологических процессов // География и природ. ресурсы. 2008. № 2. С. 116–123.
Гарцман Б.И., Галанин А.А. Структурно-гидрографический и морфометрический анализ речных систем: теоретические аспекты // География и природ. ресурсы. 2011. № 3. С. 27–37.
Гарцман Б. И. Анализ геоморфологических условий формирования первичных водотоков на основе цифровых моделей рельефа // География и природные ресурсы, 2013. № 1. C. 136–147.
Rodriguez-Iturbe I., Rinaldo A. Fractal river basins: chance and self-organization. Cambridge University Press, 1997. 547 p.
Yen B.C., Lee K.T. Unit hydrograph derivation for ungauged watersheds by stream order laws. Jour. of Hydrol. Engin, 1997, vol. 2., iss. 1, pp. 1–9. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0699(1997)2:1(1).
Reggiani P., Sivapalan M., Hassanizaden S.M., Gray W.G. Coupled equations for mass and momentum balance in a stream network: Theoretical derivation and computational experiments. Proc. R. Soc. Lond. A, 2001, vol. 457, pp. 157–189. DOI: 10.1098/rspa.2000.0661.
Gupta V.K. Emergence of statistical scaling in floods on Channel networks from complex runoff dynamics. Chaos, Solitons and Fractals, 2004, vol. 19, iss. 2, pp. 357−365. DOI: 10.1016/S0960-0779(03)00048-1.
Lee K.T., Chang C.H. Incorporating subsurface-flow mechanism into geomorphology based IUH modeling. Journal of Hydrology, 2005, vol. 311, iss. 1–4, pp. 91–105. DOI: 10.1016/j.jhydrol.2005.01.008.
Гарцман И.Н. Топология речных систем и гидрографические индикационные исследования // Водн. ресурсы, 1973. №3. С 109–124.
Казанский Б.А. Теоретические закономерности распределения речных структур / Тр. ДВНИГМИ. Вып. 63. Л.: Гидрометеоиздат, 1977. С. 85–90.
Карасев М.С., Худяков Г.И. Речные системы (на примере Дальнего Востока). М.: Наука, 1984. 143 с.
Корытный Л.М. Бассейновая концепция в природопользовании. Иркутск: Ин-т геогр. СО РАН, 2001. 163 с.
Алексеевский Н.И. Индикационные методы гидроморфологических исследований // Эрозия почв и русловые процессы. Вып.12. М.: Изд-во МГУ. 2000.
Алексеевский Н.И. Масштабные изменения характеристик системы поток-русло по длине рек / Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов. Мат-лы 3-й всеросс. конф. 24-28 августа 2010. Барнаул. 2010. С. 4–6.
Сидорчук А.Ю. Фрактальная геометрия речных сетей // Геоморфология. 2014. №1. С. 3–14.
Сидорчук А.Ю Структура русловых сетей // Маккавеевские чтения – 2015: материалы ежегодного научного семинара, Москва, 04 декабря 2015 года. Москва: Географический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, 2016. С. 70-82.
Учаев Д. В. Методика геоинформационного моделирования речных сетей на основе фрактальных методов. Дисс. … кандидата технических наук. Москва, 2007. 181 с.
Мазуркин П.М., Иванов А. А, Кораблева Н.Ю. Фрактальный анализ структуры малой реки // Охрана и защита, обустройство, индикация и тестирование природной среды: сборник статей студентов, аспирантов, преподавателей: научно-учебное издание / Поволжский государственный технологический университет, Марийский государственный технический университет, Российская академия естествознания; науч. ред.: П. М. Мазуркин. Москва: Академия Естествознания, 2010. С. 193–202.
Соколова Н. В. О природных фрактальных структурах управления реками // Ландшафтоведение и ландшафтная экология: коадаптация ландшафта и хозяйственной деятельности: Материалы международной научно-практической конференции, Симферополь, 20–25 сентября 2020 года / Ред. Е.А. Позаченюк [и др.]. Симферополь: Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, 2020. С. 128–133.
Еременко Е.А., Панин А.В. Ложбинный мезорельеф Восточно-Европейской равнины. М.: МИРОС, 2010. 192 с.
Сидорчук А.Ю., Панин А.В., Борисова О.К. Определение величины речного стока в геологическом прошлом по морфометрии палеорусел // Закономерности проявления эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях : Материалы V Всероссийской научной конференции с международным участием, объединенной с XXXIV пленарным совещанием Межвузовского научно-координационного совета по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. – Москва: Ленанд, 2019. С. 355–357.
Сидорчук А.Ю, Борисова О.К., Панин А.В. Палеогидрология рек бассейна реки Дон // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2023. Т. 5. № 2. С. 172–190. DOI: 10.34753/HS.2023.5.2.172.
Sidorchuk A.Yu., Borisova O.K., Panin A.V. paleohydrology of rivers in the don river basin. Hydrosphere. Hazard processes and phenomena. 2023, vol. 5, iss. 2, pp. 172–190. (In Russian; abstract in English). DOI:10.34753/HS.2023.5.2.172.
Gartsman B.I., Entin A.L., Shekman E.A. Special tools for structural and hydrographic analysis of river systems in the ArcMap environment. Water Resources. 2024, vol.51, iss. 3. pp. 171–184. DOI: 10.1134/S0097807824700726.
Толкачева В. Ф., Гарцман Б.И., Энтин А.Л. Сравнение вариантов функций инициации для моделирования речной сети на основе цифровой модели рельефа с помощью новейшего инструмента-надстройки в среде ARCMAP (на примере Черноморского побережья Кавказа) // Enviromis 2024 : международная конференция по измерениям, моделированию и информационным системам для изучения окружающей среды, Томск, 01–06 июля 2024 года. Томск: Томский центр научно-технической информации, 2024. С. 201–204.
Ресурсы поверхностных вод СССР: Гидрологическая изученность. Т. 9. Закавказье и Дагестан. Вып. 1. Западное Закавказье / под ред. Т. Н. Джапаридзе. Л.: Гидрометеоиздат, 1964. 224 с.
Ресурсы поверхностных вод СССР: Гидрологическая изученность. Т. 9. Закавказье и Дагестан. Вып. 1. Западное Закавказье / под ред. Т. Н. Джапаридзе. Л.: Гидрометеоиздат, 1974. 223 с.
Гарцман Б.И., Шекман Е.А. Возможности моделирования речной сети на основе ГИС-инструментария и цифровой модели рельефа // Метеорология и гидрология. 2016. № 1. С. 86–98.
Laurence Hawker et al. A 30 m global map of elevation with forests and buildings removed. Environ. Res. Lett., 2022, vol. 17. DOI: 0.1088/1748-9326/ac4d4f.
Калинин В. Г., Пьянков С. В. Применение геоинформационных технологий в гидрологических исследованиях // Пермь: Пермский государственный национальный исследовательский университет, 2010. 217 с.
Kalinin V.G., Pyankov S.V. Application of GIS technologies in hydrological research. Perm State National Research University, 2010, 217 pp. (In Russian; abstract in English).
Толкачева В. Ф., Гарцман Б.И., Энтин А.Л. Моделирование речной сети на основе цифровой модели рельефа: проблема «коротких» притоков // Гидросфера. Опасные процессы и явления. 2024. Т. 6, № 2. С. 110–124. DOI: 10.34753/HS.2024.6.2.110.
Tolkacheva V.F., Gartsman B.I., Entin A.L. Modeling a river network based on a digital relief model: the problem of "short" tributaries. Hydrosphere. Hazard processes and phenomena. 2024, vol. 6, iss. 2, pp. 110–124. (In Russian; abstract in English). DOI: 10.34753/HS.2024.6.2.110.
Толкачева В. Ф., Гарцман Б.И. Моделирование речной сети на основе цифровой модели рельефа (на примере Черноморского побережья Кавказа) // Пятые Виноградовские чтения. Гидрология в эпоху перемен: Сборник докладов международной научной конференции памяти выдающегося русского ученого Юрия Борисовича Виноградова, Санкт-Петербург, 05–14 октября 2023 года. Санкт-Петербург: ООО «Издательство ВВМ», 2023. С. 604-609.
Tolkacheva V.F., Gartsman B.I. Modeling of a river network based on a digital relief model (using the example of the Black Sea coast of the Caucasus)/ In: The fifth Vinogradov Readings. Hydrology in an era of change (Saint-Petersburg, Russia), October 9-14th, 2023: conference proceedings. Saint-Petersburg, 2023, pp. 604-609. (In Russian; abstract in English).
Морейдо В. М., Гарцман Б.И., Толкачева В.Ф. Определение основных гидрографических характеристик притоков Иваньковского водохранилища с помощью современных технологий цифрового картографирования // Национальный парк «Государственный комплекс «Завидово» – 95 лет (1929–2024). Великий Новгород: ООО Типография «Виконт», 2024. С. 41–52.
+ Read article online
Downloads
Published
Issue
Section
License
Copyright (c) 2025 Hydrosphere. Hazard processes and phenomena
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.