УДК 556.55:556,04(282.247.415.4)
Гидрологическая геоинформационная система "Бассейн Боткинского водохранилища"
В. Г. Калинин*, С. В. Пьянков*
Создана региональная гидрологическая ГИС "Бассейн Боткинского водохранилища " как возможный вариант современного водного кадастра. Показана перспективность использования цифровых моделей рельефа при изучении гидрологических процессов и явлений на реках и водохранилищах.
Водный кадастр представляет собой систематизированный свод сведений о водных ресурсах и состоит из трех серий: "Гидрологическая изученность", "Основные гидрологические характеристики", "Водные ресурсы". В этих изданиях накоплен и обобщен огромный материал о гидрографических и гидрологических характеристиках, режиме поверхностных вод суши на основе многолетних наблюдений сети станций и постов, помещенных в периодических изданиях водного кадастра — гидрологических ежегодниках, а также специальных экспериментальных и экспедиционных исследований [8]. При работе с этими материалами гидрологам часто приходится пользоваться топографическими картами разных масштабов для получения многих характеристик, визуальной оценки исследуемой территории и водосборов. Следует отметить, что определение гидрографических показателей водных объектов и их бассейнов, морфометрических характеристик озер и водохранилищ на сегодняшний день производится вручную.
Внедрение геоинформационных систем (ГИС) и технологий позволяет не только облегчить и автоматизировать работу [4], но и существенно расширить использование топографических и тематических карт, которые, как отмечал В. Г. Глушков [3], содержат большой объем информации, необходимой для анализа гидрологического режима водных объектов. Сущность географических информационных систем состоит в том, что они позволяют так или иначе собирать данные, создавать базы данных, вводить их в компьютерные системы, хранить, обрабатывать и преобразовывать, а потом выдавать по запросу пользователям чаще всего в картографической форме либо в виде таблиц, графиков, текстов [2]. Таким образом, использование ГИС для создания электронного варианта водного кадастра и выполнения гидрологических исследований представляется весьма перспективным.
Разработанная региональная гидрологическая ГИС "Бассейн Боткинского водохранилища", на наш взгляд, является первым шагом в этом направлении, Как и любая геоинформационная система, гидрологическая
* Пермский государственный университет.
ГИС имеет свою структуру, в основе которой лежит бассейновый подход, поскольку изучение какого-либо водотока или водоема начинается именно с водосбора, где происходит формирование гидрологического режима водных объектов.
Размер территории, охваченной исследованиями, составляет 184 ООО км2 и включает в себя бассейн Верхней и Средней Камы до створа Боткинской ГЭС. В созданной ГИС приводятся сведения по 52 водосборам рек, на которых организованы режимные наблюдения, и 25 метеорологическим станциям. Программным средством реализации проекта выбрана ГИС "Arc-View" (модули "3D View"; "Spatial Analyst"). Основой послужили электронные топографические и тематические карты масштабов 1:1 ООО ООО, 1:200 ООО, 1:100 000, 1:25 000, выполненные Роскартографией РФ и созданные авторами.
ГИС "Бассейн Боткинского водохранилища" состоит из следующих информационных блоков: бассейны очень крупных, крупных, средних, малых и очень малых рек. Деление это до некоторой степени условно, так как в основу положен принцип неперекрываемости одного бассейна другим.
Структура всех информационных блоков полностью идентична. Так, основными слоями являются границы всей рассматриваемой территории (водосбора Боткинского водохранилища) и границы бассейнов, попадающих в этот информационный блок, что позволяет оценить их форму, размеры и местоположение внутри главного бассейна (рис. 1а). При этом в автоматическом режиме выводятся названия водных объектов и их бассейнов. Определение географического положения исследуемых объектов производится с подключением слоя сетки параллелей и
Рис. 1. Картографическая база данных ГИС "Бассейн Боткинского водохранилища".
а) границы водосбора Боткинского водохранилища и бассейнов средних рек; б) фрагмент слоев электронной карты ГИС. В статье приведен черно-белый вариант рисунков.
меридианов. Для облегчения ориентирования и поиска соседних карт имеется слой номенклатуры, содержащий информацию об "адресе" любого листа в системе разграфки и нумерации топографических карт.
В каждом блоке в виде отдельных слоев представлены карты речной сети, водохранилищ и озер, болот, лесов, рельефа в виде горизонталей и характерных точек, населенных пунктов, метеорологических станций и водомерных постов (рис. 16).
Атрибутивные базы данных ГИС содержат основные сведения о водных объектах и их бассейнах (площадь, средние высота и уклон водосбора, длина и уклон главного водотока, густота речной сети, коэффициенты озерности, залесенности и др.), включая многолетние гидрометеорологические характеристики (расходы воды, сроки наступления ледовых фаз, среднемесячные значения температуры воздуха и скорости ветра, даты перехода температуры воздуха через ноль в осенний и весенний периоды и т. д.).
Выделение в отдельные слои метеорологических станций и гидрологических постов с точной географической привязкой позволяет качественно рассматривать любые характеристики из базы данных и дает возможность изучать режим рек и водохранилищ с использованием современных методов территориального анализа. Примером тому могут служить модельные поля средних многолетних дат перехода температуры воздуха через 0°С к отрицательным значениям в осенний период (рис. 2).
Следует отметить, что в имеющихся изданиях водного кадастра приведены далеко не все гидрографические характеристики рек и их бассейнов и не по всем водомерным постам из-за большой трудоемкости определения. В рамках созданной ГИС "Бассейн Боткинского водохранилища" на новом качественном уровне вычислены все основные гидрографические показатели.
Методами математической статистики (критерии Стьюдента и Фишера) проведен сравнительный анализ двух способов определения линейных и площадных характеристик водных объектов и их бассейнов при картометриче-ских работах (традиционного [5] и с использованием геоинформационных технологий). Полученные результаты дают возможность говорить о втором способе, как о более прогрессивном и качественном, по отношению к традиционным [6].
Выполненное моделирование поверхности водосборов (TIN, GRID) дало возможность значительно повысить точность (из-за большей дискретности) определения средних, максимальных и ми-
Рис. 2. Изолинии ереднемноголетних дат перехода температуры воздуха через 0°С к отрицательным значениям в осенний период.
нимальных значений абсолютных высот и уклонов всех исследуемых бассейнов. Трехмерное изображение рельефа позволяет пространственно рассматривать речную сеть, моделируя продольные уклоны рек, которые как бы повторяют рельеф тальвегов, и создается эффект "стекания" рек от истоков к устьям (рис. За). Более четко и наглядно видны переходы рек от горных участков к равнинным, что существенно облегчает выбор местоположения гидрологических постов или реки-аналога при выполнении гидрологических расчетов. Кроме того, использование построенных карт освещенности рельефа существенно повышает качество и скорость определения границ водосборов (рис. 36).
В настоящее время решается задача построения цифровой модели рельефа дна Камского и Боткинского водохранилищ. На сегодняшний день выполнена оцифровка контуров водохранилищ по топографическим картам масштаба 1:100 ООО. Сравнение площадей зеркал Камского и Боткинского водохранилищ при НПУ, полученных в среде ГИС, с ранее опубликованными [7] показало, что они отличаются на 9 и 7% соответственно. Во-первых, различия не очень большие, и во-вторых, если учесть, что ±2% — это точность их определения, то оставшиеся 7 и 5% можно считать уточнением, поскольку приводимые в публикациях сведения получены по проектным данным до создания водохранилищ, а в среде ГИС оцифровывались современные карты 1980—1990-х годов.
В настоящее время ведется работа по созданию трехмерной модели с подробным изображением рельефа дна (рис. 4а) на основе современных лоцманских карт масштаба 1:25 000 [1]. Это даст возможность уточнить и детализировать по участкам площадные и объемные характеристики водохранилищ и рассчитать морфометрические коэффициенты для учета особенностей морфологии при изучении гидрологических процессов и явлений.
Еще одним классом задач является накопление и систематизация результатов ежегодных экспедиционных исследований динамики и характера проявления экзогенных геологических процессов (овражной эрозии, абразии, оползневой деятельности) на берегах камских водохранилищ, а также 98
Рис. 3. Моделирование поверхности водосборов.
а) трехмерное изображение рельефа бассейна р. Вишера;
б) карта освещенности рельефа бассейна р. Тулва.
получение их количественных характеристик: площадей и объемов береговых деформаций и визуализации данных расчетов и измерений. По результатам тахеометрической съемки производится моделирование поверхности стационара с заданным шагом (0,5—1,0 м). На основе цифровой модели рельефа (рис. 46) определяется оптимальное число створов для построения поперечных профилей, что позволяет детализировать изучение происходящих процессов и фиксировать ежегодные планово-высотные изменения.
Наряду с рассмотренными возможностями, созданная ГИС позволяет также решать следующие задачи: определение площади водосбора по высотным зонам с любым шагом изменения высоты для вычерчивания гипсографической кривой; построение профилей как продольных для рек, так и поперечных для речных долин в любой части водосбора; вычисление площади не только проекции бассейна на горизонтальную плоскость (обычно определяется по карте), но и площади его поверхности, что особенно важно для бассейнов горных рек; наглядное представление экспозиций склонов речных долин для мгновенного пространственного визуализированного анализа поверхности водосбора любой
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.