Определение географических и гидрологических характеристик водных объектов с использованием ГИС-технологий

Для решения многих прикладных задач в области проектирования и строительства разнообразных гидротехнических сооружений, для оценки и рационального использования водных ресурсов в целях устойчивого развития страны и отдельных административных районов, для мониторинга экологического состояния речных бассейнов необходимо иметь достаточно полные сведения о гидрологических характеристиках и режиме имеющихся на территории водных объектов. В связи с этим перед гидрологами ставятся задачи выявления временных и пространственных связей между факторами, определяющими формирование гидрологического режима, и возможного их изменения под влиянием природных и антропогенных условий.

Для определения одной из главных расчетных гидрологических характеристик — стока рек разработано и применяется множество методов. Но ни один из них не может действовать без использования физико-географических и гидрографических характеристик исследуемого района. До сих пор они определялись традиционными трудоемкими ручными измерениями на топографических картах. Интенсивное развитие компьютерной техники и информационных технологий в последнее время позволяет получать нужные характеристики с помощью технологий географических информационных систем (ГИС) полнее и быстрее по сравнению с традиционными измерениями.

Применение ГИС-технологии вызвало коренное преобразование методов картографических работ. Создаются новые правила, инструкции и ГОСТы по составлению и использованию цифровых карт. К сожалению, методических указаний по применению ГИС-технологии в гидрологических расчетах до сих пор не существует. Определение методических подходов к решению этой проблемы является необходимым этапом и поэтому актуальной и своевременной задачей.

Целью данной работы являются разработка методических подходов к использованию ГИС-технологии для определения физико-географических и гидрологических характеристик водных объектов и апробирование их при решении конкретных гидрологических проблем.

Для достижения этой цели решены следующие задачи:

1. Составлены базы цифровых географических и тематических данных на территорию Европы и Северной Азии, необходимые для определения физико-географических и гидрографических характеристик.

2. Выполнен анализ цифровых топографических и тематических карт ряда природных и административных районов Российской Федерации в целях установления возможности их использования для автоматизированного определения физико-географических и гидрографических характеристик водных объектов.

3. Осуществлен всесторонний анализ потенциалов разнообразного программного обеспечения ГИС-технологий для использования в целях гидрологии.

4. Выполнен детальный анализ опыта работ российских и зарубежных специалистов по применению ГИС-технологии в гидрологии.

5. Опробованы на практике методические подходы к выполнению картометрических работ в среде ГИС в целях существенного сокращения затрат времени и повышения точности результатов измерений.

6. Проведен геостатистический анализ материалов измерений на гидрологических и метеорологических станциях ряда природных и административных районов для оценки возможности их использования при составлении цифровых тематических карт.

7. На основе цифровых моделей выполнена оценка водных ресурсов бассейна Печоры и Республики Коми.

В целях решения поставленных в работе задач были созданы цифровые карты местности для ряда природных и административных районов. На их основе получены необходимые для гидрологических расчетов гидрографические и физико-географические характеристики.

Выборки исходных гидрометеорологических данных исследовались методами геостатистического анализа, после чего к ним применялись различные способы интерполяции для подготовки карт пространственного распределения гидрологических характеристик.

Научная новизна:

1. Впервые систематизирован опыт применения ГИС в гидрологии и выполнен полный цикл исследований с помощью ГИС-технологии в гидрологических целях, начиная от составления баз цифровых данных и определения морфометрических характеристик речных бассейнов до оценки водных ресурсов (на примере реки Печора и Республики Коми).

2. Впервые применен геостатистический анализ исходных тематических данных в целях их использования для построения цифровых карт пространственного распределения гидрометеорологических характеристик.

3. Подготовлены цифровые карты девяти отдельных речных бассейнов России, предназначенные для оперативного анализа материалов с помощью ГИС-технологии, по которым уточнены их водоразделы и выполнены картометрические работы в целях определения их гидрографических и физико-географических характеристик.

4. Разработана палитра из 96 условных знаков гидрологических станций и постов, позволяющая отразить на картах все их многообразие по состоянию, ведомственной принадлежности и программам выполняемых измерений.

5. С использованием ГИС-технологии построена схема зон возможного затопления при паводках различной обеспеченности для реки Се-Яха (полуостров Ямал).

Практическая ценность:

1. Сформированы базы цифровых географических и тематических данных на Европу и Северную Азию, необходимые для работы гидрологических ГИС.

2. Определены методические подходы к замене традиционной технологии картометрических работ в гидрологии автоматизированной, с использованием ГИС-технологии. В результате, в десятки раз сокращено время выполнения картометрических работ.

3. Увеличена точность расчетов, исключены случайные ошибки измерений морфологических характеристик, выполняемых ранее вручную или с применением простейших измерительных приспособлений.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на годичном собрании Академии проблем водохозяйственных наук в декабре 2002 г., на Международном научно-промышленном форуме «Великие реки» в мае 2004 г., на VI Всероссийском гидрологическом съезде в сентябре 2004 г., на итоговых сессиях ученого совета ГГИ в 2005 и 2007 годах. Они были опубликованы в соответствующих сборниках докладов. Часть работы была выполнена в рамках проекта по исследованию гидрологических условий в районе Бованенковского газоконденсатного месторождения на Ямале и вошла составной частью в научный отчет.

Большая часть измерений и расчетов, приведенных в данной диссертационной работе, была осуществлена в составе НИР Росгидромета «Разработка концепции и методологии оценки динамики возобновляемых водных ресурсов для территорий, не обеспеченных гидрологическими данными, на основе использования математического моделирования и ГИС-технологий». Полученные результаты вычислений сверялись с опубликованными ранее данными (если они имелись), и причины расхождений анализировались. Некоторые измеренные с помощью ГИС параметры применялись в дальнейших гидрологических расчетах при подготовке материалов, необходимых для выработки решений и рекомендаций.

Автор данной работы лично выполнила обоснование возможности применения ГИС-технологии в практике картометрических работ и гидрологических расчетовосуществила подготовку и адаптацию необходимых баз цифровых географических и тематических данныхпроизвела геостатистический анализ и интерполяцию исходных гидрометеорологических характеристикподготовила множество цифровых карт отдельных речных бассейнов и административных районовс помощью ГИС-технологии уточнила границы бассейнов 27 крупных и средних рек России, определила физико-географические и гидрографические характеристики исследуемых водных объектов и произвела их сравнение со справочными данными (если они были определены ранее традиционными способами) — обосновала точность измерений в зависимости от масштаба исходных картографических материалов и применяемых картографических проекций. Автор также подготовила и опубликовала по теме диссертации 11 научных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методы расчетов гидрологических характеристик природных или административных районов (на примере годового стока) с использованием ГИС-технологии и баз цифровых данных.

2. Методы определения физико-географических и гидрографических характеристик природных объектов с использованием ГИС-технологии.

3. Геостатистический анализ гидрометеорологических характеристик и их интерполяция с использованием ГИС-технологии.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем работы — 180 страниц, включая 27 таблиц и 41 рисунок. Приложение состоит из 3 частей на 38 страницах.

Список литературы

содержит 127 наименований, в том числе 79 иностранных.

Выводы.

Основной задачей данной главы была демонстрация возможности выполнения полного цикла гидрологических расчетов средствами ГИС-технологии на примере бассейна Печоры, начиная от подготовки цифровых данных и определения морфометрических характеристик до оценки водных ресурсов речного бассейна и Республики Коми.

Для решения данной задачи:

— Были составлены цифровые карты местности. На базе этих карт получены необходимые для выполнения расчетов гидрографические и физико-географические характеристики бассейна.

— На основе цифровой модели высот водосбора были определены водоразделы основных притоков Печоры, порядок притоков всей речной сети в системе Страхлера, определены площади и координаты центров тяжести для водосборов гидрологических постов.

— Выборки исходных гидрометеорологических данных, полученных по измерениям на постах, были изучены на последовательность методами геостатистического анализа. Затем с применением различных способов интерполяции были подготовлены карты пространственного распределения гидрометеорологических характеристик: среднемноголетнего слоя осадков, среднемноголетнего модуля стока, среднемноголетнего слоя стока, слоя годового стока за многоводный и маловодный годы.

По цифровым картам распределения гидрометеорологических характеристик были автоматически определены объем и средний слой осадков и стока.

— Сравнительный анализ различных методов интерполяции позволил оценить точность расчета величин слоя годового стока.

— Определенные с помощью ГИС-технологии величины объема годового стока были сравнены с опубликованными ранее данными, полученными традиционными способами. Их сходимость оказалась вполне удовлетворительной.

— Произведено исследование воздействия на сток некоторых его гидрографических и физико-географических характеристик. Фактором, оказывающим существенное влияние на сток, оказалась высота местности. Именно поэтому оказалось оправданным применение метода кокригинга для создания карт пространственного распределения слоя стока.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Географические информационные системы находят все более широкое применение в гидрологии как для выполнения оперативных расчетов и оценки водных ресурсов, так и в целях изучения гидрологического режима водных объектов. Многие проблемы сбора, обработки и интерпретации данных, проектирования гидрологических сетей и подготовки предложений для принятия решений при широком использовании ГИС-технологии и персональных компьютеров могут разрешаться легче и эффективнее, чем это было до сих пор в гидрологической практике. Возможность ГИС-технологии оперативно представлять на цифровых или бумажных картах водные объекты совместно с их гидрографическими характеристиками, гидрологическими постами и данными измерений позволяет оперативно проводить автоматизированный комплексный анализ и интерпретацию материалов наблюдений для получения подробной картины происходящих процессов.

Методы ГИС используются также для выборки и формирования распределенных по водосбору данных измерений, используемых затем в качестве входных данных в цифровых гидрологических моделях. В будущем интеграция гидрологических моделей в ГИС-программы вместе с обработкой материалов наблюдений на станциях и постах в реальном времени может решить многие проблемы гидрологического прогнозирования. Цифровые физико-географические карты бассейнов, используемые вместе с территориальными базами цифровых гидрометеорологических данных, могут быть хорошей основой для вышеуказанных моделей.

В практике гидрологических расчетов ГИС-технология используется еще очень слабо, хотя очевидно, что она предлагает достаточные преимущества в обработке больших объемов данных и подготовке тематических карт и атласов. Кроме того, ГИС-технология значительно упрощает оценку водных ресурсов, так как подготовка необходимых для оценки карт традиционными методами требует существенных затрат трудовых и финансовых ресурсов.

ГИС-технология может также применяться для интерпретации материалов гидрологических наблюдений, полученных в реальном времени. Геостатистический исследовательский анализ данных позволяет выявить систематические ошибки измерений, найти и устранить их причины.

Основной задачей данной работы была отработка методов выполнения полного цикла картометрических работ и гидрологических расчетов средствами ГИС-технологии, начиная от подготовки баз цифровых данных и определения морфометрических характеристик до оценки водных ресурсов речного бассейна или региона, что и было продемонстрировано в заключительной главе диссертации на примере бассейна Печоры и Республики Коми.

Для решения данной задачи:

— Выполнен анализ научных публикаций об успешном использовании ГИС-технологии для решения отдельных задач гидрологических исследований. Установлено, что, как правило, акцент в этих работах делается на концептуальных проблемах, без раскрытия методики их решения. Основное внимание в научных работах уделяется решению конкретных задач региональной гидрологии на примерах отдельных речных бассейнов.

— Изучены все доступные современные отечественные и иностранные базы цифровых географических и тематических данных, из которых была сделана выборка информации, необходимой для полноценной работы гидрологической ГИС для водосборов средних и крупных рек или для крупных административных регионов России и сопредельных государств. Данные были отобраны по критерию их масштаба, надежности и точности содержащейся в них информации, а также по возможности и целесообразности применения их в гидрологии. С использованием этих баз данных были составлены цифровые карты для водосборов 9 крупных рек России и их притоков, по которым выполнены расчеты их гидрографических характеристик.

Осуществлен всесторонний анализ потенциалов разнообразного программного обеспечения ГИС-технологий. В результате исследований были выбраны и рекомендованы оптимальные программы для выполнения конкретных видов морфологических и гидрографических измерений, проведения геостатистического анализа исходных тематических данных, их интерполяции и визуализации полученных результатов.

— Составлены цифровые карты водосбора Печоры и Республики Коми. На их базе получены гидрографические и физико-географические характеристики, необходимые для выполнения гидрологических расчетов.

На основе цифровой модели высот водосбора были определены водоразделы основных притоков Печоры, порядок притоков всей речной сети в системе Страхлера, определены средние высоты и координаты центров тяжести для водосборов всех гидрологических постов.

Выборки исходных гидрометеорологических данных, полученных по измерениям на постах, были изучены на последовательность методами геостатистического анализа. Затем с применением различных способов интерполяции были подготовлены цифровые карты пространственного распределения среднемноголетних гидрометеорологических характеристик: слоя осадков, модуля стока, слоя стока, слоев стока за многоводный и маловодный годы.

По цифровым картам распределения гидрометеорологических характеристик были автоматически определены объем и средний слой осадков и стока.

Определенные с помощью ГИС-технологии величины объема годового стока были сравнены с опубликованными ранее данными, полученными традиционными способами. Их сходимость оказалась вполне удовлетворительной.

В процессе подготовки диссертации:

— Предложен принцип выбора картографических проекций и масштабов карт, в зависимости от формы и местоположения бассейнов или регионов, для достижения наиболее точных измерений в гидрологических целях.

— Разработана палитра из 96 условных знаков для отражения на картах гидрологических станций и постов во всем их многообразии по состоянию, ведомственной принадлежности и программам выполняемых измерений.

— Опробованные на практике методические подходы к выполнению картометрических работ с помощью ГИС-технологии позволили существенно сократить затраты времени и повысить точность результатов измерений.

— Выполнен сравнительный анализ точности различных способов интерполяции, для чего построен ряд карт пространственного распределения гидрометеорологических характеристик. Анализ величин ошибок интерполяции в опорных точках позволил оценить различные методы интерполяции и результаты свести в таблицу. Кроме того, для иллюстрации метода ординарного кригинга были построены карты распределения тренда годовых осадков, его вероятности и стандартных ошибок интерполяции.

В целях скорейшего внедрения методов ГИС-технологии в повседневную практику гидрологических исследований и расчетов рекомендовано выполнить дальнейшие исследования в следующих направлениях: подготовка новых методических указаний по выполнению картометрических работ с применением ГИС-технологии взамен действующих, основанных на ручной технологии;

— интеграция в ГИС-программы математических моделей для расчета гидрологических характеристик и оценки водных ресурсов;

— подготовка рекомендаций по применению методов интерполяции и экстраполяции при составлении гидрологических карт для слабоизученных районов, отображающих в изолиниях пространственное распределение характеристик.