Моделирование и прогнозирование гидрологических объектов с использованием ГИС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Моделирование и прогнозирование гидрологических объектов с использованием ГИС

Скакбаева А.,

Сенников М.Н.

Важным моментом при проектировании ГИС является размерность модели. Применяют двухмерные модели координат (2D) и трехмерные (3D)Двухмерные модели используются при построении карт, а трехмерные - при моделировании геологических процессов, проектировании инженерных сооружений (плотин, водохранилищ, карьеров и др.), моделировании потоков газов и жидкостей. Существуют два типа трехмерных моделей: псевдотрехмерные, когда фиксируется третья координата и истинные трехмерные.

Ниже дана краткая характеристика современных зарубежных ГИС:

- УК Mapper (ER Mapping). Осуществляется обработка больших объемов фотограмметрической информации, тематическое картографирование (геофизика, природные ресурсы, лесное хозяйство);

- ГеоДраф, ГеоГраф (Россия).Возможно построение картографической структуры с многослойным отображение данных, создание электронных атласов (городское хозяйство);

- ArGIS, Московский ГУ геодезии и картографии (Россия).Выполняется Построение цифровых моделей рельефа с использованием аэрокосмических снимков;

- ArcCAD, ERSI - институт исследования систем окружающей среды. Связывание карт и базы данных, пространственный анализ (инженерные и базис-приложения, транспортные перевозки, гражданское строительство);

- ArcView, ERSI. Создание, анализ, вывод картографических данных (бизнес, наука, образование, управление, социология, демография, экология, транспорт, городское хозяйство);

- Mapinfo. Выполняется поиск географических объектов, работа с базами данных, обработка данных геодезических измерений, компьютерный дизайн и подготовка к изданию картографических документов

- ArcInfo. Создание геоинформационных систем, создание и ведение земельных, лесных, геологических и других кадастров, проектирование транспортных сетей, оценка природных ресурсов.

Большинство современных ГИС осуществляет комплексную обработку информации:

1) сбор первичных данных;

2) накопление и хранение информации;

3) различные виды моделирования (семантическое, имитационное, геометрическое, эвристическое);

4) автоматизированное проектирование;

5) документационное обеспечение.

Основные области использования ГИС:

1) электронные карты;

2) городское хозяйство;

3) государственный земельный кадастр;

4) экология;

5) дистанционное зондирование;

6) экономика;

7) специальные системы военного назначения.

Используемые на сегодняшний день в геокартировании географические информационные системы, т.н. ГИСы (ArcInfo-ArcView, MapInfo и др.), являются по своей идеологии плановыми, т.е. двухмерными. Информация в них организована вдоль отдельных поверхностей. Это позволяет проводить анализ одного или нескольких интересующих параметров в пределах поверхности, но не объёма. Анализировать параметры в автоматическом режиме между поверхностями по произвольно заданному сечению используемые ГИC-системы не позволяют. Для гидрогеологии это означает, что решать объёмные прогнозные задачи на базе существующих ГИС крайне затруднительно. Таким образом, существующие ГИ-системы нуждаются в дополнительных пакетах компьютерных программ, которые, с одной стороны, обеспечивали бы возможность трехмерного отображения геологической структуры, а с другой - позволяли иметь трехмерную геоинформационная модель любой территории и и решать прогнозные задачи не в двух-, а трёхмерном пространстве.

Нередко процессы влияния водохранилища приобретают неблагоприятные направления как с точки зрения эксплуатации водохранилищ по их прямому назначению, так и исходя из интересов наиболее эффективного использования комплекса водных и других естественных ресурсов. Для ликвидации этих неблагоприятных последствий требуются обычно немалые денежные затраты, большие трудовые и материальные усилия. Для того чтобы вовремя предотвратить развитие опасных процессов, необходимо проводить мониторинг с использованием космических снимков. геокартирование информационный трехмерный

Водохранилища - искусственные водоемы, предназначенные для задержания, накопления, хранения и перераспределения во времени воды, т.е. регулирования речного стока с целью использования его для нужд народного хозяйства: выработки электрической энергии, орошения, водоснабжения, водного транспорта. Крупные водохранилища обычно обслуживают несколько отраслей народного хозяйства.

Водохранилища создают в долинах рек, ручьев, а также в чашах естественных озер путем возведения подпорного сооружения - плотины. По морфометрическим особенностям котловины, и по степени соответствия режима речному или озерному типу, выделяются характерные участки: нижний, средний, верхний.

Нижний - приплотинный, всегда глубокий, с преобладанием режима озерного типа.

Средний - промежуточный, глубоководный только при высоких уровнях.

Верхний - мелководный, расположенный главным образом в пределах подтопленного русла и поймы, где в режиме преобладает речной тип и участок выклинивания подпора.

Границы этих участков условны. Иногда их намечают по характеру режима волнения, меняющегося в связи с изменением глубины и амплитуды колебания уровней.

Форма зеркала в плане зависит от генетического типа рельефа, существовавшего до образования водохранилища. По длине водохранилища, от плотины вверх по бывшей реке, новый подпертый водоем имеет несколько естественных природных зон. Каждая из них характеризуется специфическими гидро- и морфодинамическими особенностями. Выделяют четыре гидрологические зоны.

Глубоководная нижняя зона, где при всех уровнях волнение развивается свободно, не взаимодействуя, за исключением прибрежной полосы, с дном. Динамические условия близки к морским или глубоководно-озерным.

Промежуточная зона средних глубин в зависимости от положения уровня воды в разные сезоны года может быть либо глубоководной (при уровнях, близких к нормальному подпорному уровню, т. е. НПУ), либо мелководной (при низких отметках уровня).

Мелководная зона, где при любых положениях уровня сохраняются условия мелкого моря или озера. Развитие волнения ограничивается влиянием дна. Волны здесь крутые. Зона выклинивания подпора, в которой даже при самом высоком горизонте воды сохраняются условия мелко водного разлива; по мере снижения уровня она полностью обсыхает и становится либо дельтой, либо устьевым участком речного русла. Эта зона существует верхних водохранилищах. Буктырминское водохранилище по морфометрическим характеристикам относится к мелководной зоне.

Буктырминское водохранилище, образованно плотиной Буктырминской ГЭС на р. Иртыш. Заполнение его началось в 1960; с 1966 осуществляет многолетнее регулирование стока. Водохранилище состоит из 2 участков: речного - по долине р. Иртыш, и озера Жайсан, на месте которого образовался широкий плёс. Площадь 5500 км 2, объём 53 км 3, длина более 500 км, наибольшая ширина 35 км, средняя глубина 9,6 м. Наибольшие глубины располагаются в местах затопленных русел и увеличиваются в направлении к плотине.

Река Нарым - приток Иртыша, берёт начало на стыке хребтов Нарымского и Сарымсакты из заболоченной местности, образовавшейся от стока ручьёв. Благодаря невысокому верховью и ровному глинисто-песчаному руслу ширины долины иногда достигает свыше 20 км, местами сужается до 25-250 м, ширина русла реки - 15-25 м, глубина - от 0,5 до 2,5 м.

Река Нарым до 1960 года впадала непосредственно в реку Иртыш, в устье реки Нарым находился посёлок Усть-Нарым. С 1960 года, с образованием Буктырминского водохранилища и затоплением нескольких населённых пунктов, река Нарым впадает в Буктырминское водохранилище, в устье реки находится село Большенарымское.

Строительство Буктырминской ГЭС оказало влияние на озеро Жайсан и речные долины, впадающие в Буктырминское водохранилище. До сооружения Буктырминской ГЭС площадь озера Жайсан составляла 1800 кмІ, длина 111 км, ширина около 30 км, глубина в среднем 4-6 м (наибольшая около 10 м). После сооружения плотины озеро Жайсан находится в подпоре, который распространился также и по Чёрному Иртышу на 100 км; уровень Жайсана поднялся на 7 м. Площадь зеркала озера составляет большую часть площади водного зеркала Буктырминского водохранилища, равную 5,5 тыс. кмІ.

На низменных берегах вдали от уреза воды встречаются волноприбойные ниши. Озеро покрывается льдом в ноябре и вскрывается в конце апреля. Дно Жайсана иллистое, местами песчаное и покрыто мелкой галькой. Берега низкие, заросшие на большом пространстве от воды камышом. В середине озера островов нет, только при впадении Чёрного Иртыша находятся два маленьких острова. В Жайсан впадают реки: с восточной стороны - Чёрный Иртыш, Кендырлык, с западной - Кокпектинка, Бугаз и Базар, с северной - Черга, Арасан, Терс-Арлык и пр., вытекает на севере Белый, или собственно Иртыш.

Площади и другие морфометрические элементы водохранилища и оз. Жайсан сильно изменяются при колебании уровней. Это влияет на гидрологический режим, побережий и дно. В водохранилищах, созданных в долинах рек, происходит замедленный водообмен но в их верхних участках и по оси бывших затопленных русел наблюдается проточность.

Таким образом, двойственная природа водохранилища и искусственное регулирование стока его вод создают своеобразие в уровенном, ледовом режимах и динамике его водной массы и т.д. Для водохранилищ характерно различие амплитуд колебаний уровня воды. Изменения, которые испытывает уровень воды в водохранилище в течение года, ведут к сезонным изменениям глубин, течений, ветроволновых процессов, что накладывает отпечаток на динамику берегов, накопление донных осадков, на величину площади зеркала и зоны периодической осушки и затопления, на характер влияния водоема на прилегающую сушу. Следовательно, водохранилище - водоем крайне неодинаковый в разные сезоны года. В сущности, при низком и высоком уровне - это совершенно разные водоемы.

Колебания уровня воды в водоеме приводят к развитию экзогенных геологических процессов. Но развитие процессов зависит от геологического строения берегов.

Воды водохранилища с большой силой давят на водоносные слои берегов. Скорость их проникновения в берег (фильтрация) зависит от механического состава пород, слагающих территорию. Показателем водопроницаемости служит коэффициент фильтрации. Если берег образован трещиноватыми известняками, коэффициент фильтрации может достигать 500 - 1000 м/сутки. В том случае, когда район сложен грубым аллювием - крупнозернистыми песками с гравием и галькой. Коэффициент фильтрации снижается до 20-500 м/сутки. В песках он изменяется от 1 до 50 м/сутки. В суглинках коэффициент фильтрации резко снижается, но даже тяжелые суглинки и глины не являются абсолютно водонепроницаемыми породами. Коэффициент фильтрации в глинах равен примерно 0,01 м/сутки, т. е. вода за сутки успевает пройти расстояние в 1 см.

Фильтрационный поток из водохранилища в берег оказывает блокирующее воздействие на поток грунтовых вод, направленных от водораздела к реке, но это явление, правда, наблюдается далеко не всегда. С фильтрацией и подпором грунтовых вод связаны изменения в почвенном и растительном покровах прибрежных биогеоценозов. Эти преобразования распадаются на несколько этапов, которые соответствуют различным состояниям природной среды: первый - исходный - отражает положение до образования водохранилища; второй - период его заполнения до НПУ (нормального подпорного уровня) - интенсивного обводнения и глубоких изменений в свойствах почв, растительном покрове и животном мире (его продолжительность не менее 3 - 5 лет); третий - постепенного, медленного затухания активного воздействия и формирования нового режима; четвертый - стабилизации процессов, проявляются ритмические изменения, обусловленные сезонными и годовыми колебаниями уровня водохранилища. Размеры сферы влияния увеличиваются во времени, причем этапы воздействия повторяются с некоторым опозданием, в зависимости от удаленности от берега.

В зоне влияния водохранилища начало подтопления, и продолжительность зависят от его уровня; при этом, как правило, высокий уровень бывает в первой половине вегетационного периода до середины июля, а иногда до октября.

Интенсивность влияния водохранилища на почвенно-растительный покров определяется величиной подъема зеркала грунтовых вод по сравнению с их положением до образования водоема. Значительную роль играет литологический состав пород, слагающих берег, свойства растительности.

С помощью имеющихся картографических материалов за период 1960 (рис. 1), 1984 (рис. 2), 2003 годы (рис. 3) и современных космических снимков, нами выполнена векторизация долины реки Иртыш и озера Жайсан. Нами проведен анализ морфометрии и геологического строения долины р. Иртыш до появления Буктырминского водохранилища и побережья озера Жайсан. На основе анализа выявлены участки, подверженные затоплению, заболачиванию, абразии, суффозии и др. процессам. Это позволило установить колебание уровня воды на водохранилище и на озере.

Накопленные материалы о проявлении наведенной сейсмичности, связанной со строительством крупных гидроэлектростанций, сопровождающихся заполнением больших водохранилищ ставят особенно остро проблему возникновения сейсмичности в связи с инженерной деятельностью человека. Особые осложнения при этом возникают из-за необычных параметров этих землетрясений, так как частота повторения и интенсивность наведенных землетрясений часто оказывается выше нормальной для данного региона, а очаги землетрясений располагаются в непосредственной близости от водохранилищ. При этом в мировой практике известно несколько случаев, когда землетрясения, вызванные заполнением водохранилищ, приводили к разрушению строительных объектов, плотин, вызывали человеческие жертвы [1-5].

Проблема возникновения землетрясений в связи с нагрузкой на геологическую среду от водных масс крупных водохранилищ в разных частях мира стала предметом озабоченности различных исследователей и вызвала значительный международный интерес.

Прогнозирование - это большой комплекс работ, направленных на решение следующих задач: возможности возникновения оползневого процесса, виде, месте и времени его проявления, механизме и динамике развития процесса, его интенсивности и масштабах, об угрожаемости для сооружений, о степени оползневого риска и т.д. Прогнозы принято подразделять по разным признакам:

1) по времени прогнозирования - долгосрочные (на годы, десятки и сотни лет), краткосрочные (на сроки, соизмеримые с периодом строительства и эксплуатации сооружений, обычно несколько месяцев) и экстренные или предупредительные (за несколько дней или часов до возникновения критической ситуации);

2) по степени достоверности - качественные и количественные, приближенные, ориентировочные и уточненные;

3) по масштабу охваченных объектов - глобальные, региональные и локальные;

4) по модели прогнозирования - детерминированные и вероятностные.

Строительство и эксплуатация гидротехнических сооружений должны сопровождаться прогнозом и мониторингом процессов, обусловленных влиянием водохранилища. Для этого необходимо создание базы данных, являющейся основой для создания сети мониторинга любых гирологичеких объектов.

Положение водохозяйственных объектов в природной среде обусловливает развитие различных техногенных процессов. Масштабы проявления техногенных процессов невозможно оценить без использования геоинформационных систем.

Рис. 1. Контуры озера Жайсан и р. Иртыш до строительства плотины и образования Буктырминского водохранилища (до 1960 года)

Рис. 2. Контуры оз. Жайсан и Буктырминское водохранилище на 1984 год (контуры показаны прерывистой линией)

Рис. 3. Озеро Жайсан и Буктырминское водохранилище по (2003) космоснимку контуры показаны сплошной жирной линией

Выполненное нами визуальное дешифрирование космических снимков, позволило создать базу данных на текущий момент времени. В базу данных вошли сведения о гидросети, о природных и искусственных водоемах, о геодинамических процессах, о геологическом строении, рельефе.

В работе приведена методика обработки материалов в программе MapInfo. Созданные слои явились основой для создания серии карт 1:200000 масштаба. Дальнейшее использование программы Create3DMap позволило создать модель Буктырминского водохранилища на различные периоды заполнения.

Программа MapInfo позволяет увеличить масштаб изучаемой территории. Эта особенность космоснимков была использована для моделирования детальных участков Буктырминского водохранилища. Наиболее крупным гидрологическим объектом в изучаемом районе является Буктырминское водохранилище. Именно с его созданием началась активизация одних процессов и уменьшение развития других. Произошло изменение климата, биоты.

Предлагаемое содержание тематической характеристики объектов может быть использовано для организации мониторинга с использованием ГИС-технологий.

Литература

1. Природные условия и природные ресурсы Восточного Казахстана. Алматы. 1978.

2. Бочкарев В.П., Шойманова М.М. Современные геологические процессы в зоне влияния Бухтарминского водохранилища // Известия АН КазССР. Серия геологическая. 1973. №2. С. 20-28.

3. Научно-прикладной климатический справочник Казахстана, г. Алматы, 1980.

4. Справочник по климату СССР, выпуск 18, г. Ленинград, 1968.

Размещено на Allbest.ru