Структура и содержание подсистемы "Геобанк" информационно-прогностической системы гидрогеоэкологических моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ПОДСИСТЕМЫ "ГЕОБАНК" ИНФОРМАЦИОННО-ПРОГНОСТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГИДРОГЕОЭКОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Т.Н. Мамасериков

Г.М. Толстихин

Экологическая обстановка в пределах Кыргызской Республики постоянно усложняется вследствие интенсификации хозяйственной деятельности и слабой защищённости или практической незащищённости подземных вод от загрязнения. Особенно сложная обстановка сложилась в такой межгорной впадине, как Чуйская, где ведётся интенсивная водохозяйственная деятельность, интенсивное орошаемое земледелие, а подземные воды являются основным источником водоснабжения. Большая техногенная нагрузка на подземную гидросферу может привести, а на отдельных участках уже привела к необратимым последствиям.

Дальнейшее освоение территории связано с необходимостью проведения комплекса мероприятий по рациональному использованию и охране подземных вод, принятия обоснованных решений на базе разработки и создания автоматизированной информационнопрогностической системы гидрогеоэкологических моделей территории Кыргызской Республики (АИПС ГЭМ КР). автоматизированный информационный прогностический вода

АИПС ГЭМ КР могут эффективно обеспечить решение комплекса гидрогеоэкологических задач, стоящих перед геологической службой Кыргызской Республики. К таким задачам относятся:

· ведение гидрогеоэкологического мониторинга территории Кыргызской Республики в целом и на её отдельных наиболее освоенных районов;

· сбор, анализ и систематизация имеющейся обширной геоэкологической информации;

· оперативная обработка этой информации;

· непрерывная оценка развития гидрогеоэкологической ситуации;

· прогнозирование развития гидрогеоэкологических процессов;

· обоснование мероприятий по рациональному использованию и охране подземных вод;

· разработка рекомендаций по управлению нарушенным режимом подземных вод и дальнейшему хозяйственному освоению территории.

Общая структура АИПС ГЭМ включает в себя три основных подсистемы:

1. "Геобанк", предназначенный для ввода, хранения и поиска необходимой информации.

2. "Сервис", предназначенный для формирования данных по запросам пользователя в необходимом виде для выдачи на экран, печать или передачи к прикладным программам.

3. "Процесс" для обработки данных и геоэкологического моделирования.

"Геобанк" предназначен для выполнения информационных функций долговременного хранения, автоматизированного поиска и обработки сложно организованных показателей состояния геологической среды и воздействующих на неё факторов. В "Геобанке" должна быть предусмотрена возможность хранения и обработки фактографической и картографической информации, характеризующей географические особенности, геологическое строение, гидрогеологические и инженерногеологические условия территории применительно к выделенным уровням детальности.

Подсистема функционирует в автоматизированном режиме и обеспечивает решение следующих задач: контроль, корректировка и ввод информации в базы данных; ведение баз данных; ведение словарной системы; обеспечение требуемой информацией других подсистем АИПС ГЭМ Кыргызстана.

Для адресной привязки фактографической информации и построения матричных карт вводится единая система условных квадратных координат, разбивающая всю исследуемую территорию на квадратные ячейки, размер ячейки определяется уровнем детальности. При этом удобно за характерный размер ячейки принимать 1 см х 1 см или 2 см х 2 см карты соответствующего масштаба в зависимости от предполагаемой плотности вводимой информации.

Картографические базы данных (КБД)

Картографические базы включают цифровые и матричные контурные карты разных уровней детальности, соответствующих различным исходным масштабам. Матричные карты строятся на основе приписывания блокам модели цифровой или кодовой характеристики. Цифровая характеристика определяет среднее значение какоголибо параметра или показателя в данном блоке. Например, среднее значение абсолютной отметки поверхности земли, средняя мощность водоносного горизонта, процент лесистости, относительная застроенность территории, принадлежность данного блока к определённому району (например, на карте инженерногеологического районирования) или к определённому речному бассейну. В последних двух случаях данному блоку приписывают определённый код. Соответственно в базе данных хранятся матрицы показателей и параметров.

Контурные карты строятся путём выделения контуров полей объектов и показателей, имеющих одинаковые характеристики или значения. Например, контуры распределения пород определённого возраста, ландшафтная карта, речная сеть и т.п. В базе данных в этом случае хранится информация только о контуре объекта.

Матричные карты целесообразно использовать для параметров и показателей, необходимых для моделирования, в частности для моделирования геофильтрации.

Контурные карты удобны для обеспечения справочноинформационной системы, вследствие их меньшей условности.

Не исключается сочетание матричных и контурных карт для одного показателя или характеристики.

Обычно карты, используемые геологами, являются синтетическими и содержат несколько различных характеристик. Например, гидрогеологическая карта может содержать данные об уровнях подземных вод и о глубинах их залегания, а также об их химическом составе. Для хранения такая карта должна быть расчленена на компоненты, для каждого из которых должна быть построена матричная или контурная карты.

Размеры шага для матричных карт выбираются в зависимости от уровня детальности. Для обзорного уровня, соответствующего масштабу 1:500000, целесообразно принять шаг 5 x 5 км. В этом случае каждому блоку матричной карты будет соответствовать 1 см2 реальной карты. Для регионального уровня, соответствующего масштабу 1:200000-1:100000 можно принять шаг 2 x 2 км (или 1 x 1 км), для детального с масштабом 1:50000 - 1:25000 шаг 250 x 250 м. Матричные карты локального и объектного уровней строятся с произвольным шагом в зависимости от картируемой площади и размеров области возмущения объекта. Несмотря на то, что матричные карты более высокого уровня (менее детальные) могут быть сформированы путём генерализации данных по блокам более низкого уровня, при формировании картографической базы целесообразно их строить независимо. Последнее даёт возможность эксплуатировать систему, независимо от степени изученности территории. Соответственно в картографической базе целесообразно хранить матричные карты для всех уровней детальности.

По своему содержанию матричные карты разного уровня в принципе аналогичны и отличаются только степенью генерализации и обобщения материала. Исключение составляет обзорный и объектный уровень, матричные карты для которых в первом случае строятся в зависимости от специфики информации, а во втором - в зависимости от объекта исследования.

Помимо матричной и контурной системы карт может возникнуть потребность в привязке точечной (или линейной) информации. Такая информация может наноситься на контурные карты с привязкой отдельных точек или линий в принятой системе в соответствии с масштабом картирования.

Картографическая база обзорного уровня включает карты, необходимые для наглядного представления состояния подземных вод, их ресурсов и эксплуатационных запасов, экологогеологической ситуации. Эти карты являются скорее демонстрационными, чем рабочими и соответственно могут быть внемасштабными. В частности, ряд показателей на них может быть представлен с помощью условных знаков. К картам этого типа относятся: карта гидрографической обстановки (речных бассейнов и водохозяйственных участков); картосхема межгорных и внутригорных впадин и гидрогеологических массивов; картосхема орошаемых территорий; карта водоотбора подземных вод; карты загрязнения подземных вод; картосхема источников загрязнения; карта защищённости подземных вод от загрязнения; карта мелиоративного состояния территории; картосхема хозяйственного освоения территории (техногенная нагрузка).

Картографическая база регионального и детального уровней включает матричные карты, содержащие информацию, необходимую, прежде всего, для ведения постояннодействующей модели и моделирования геофильтрации и геомиграции. Их целесообразно разделить на категории в соответствии с отображаемой на них информацией.

а) Карты, характеризующие ландшафтные условия, топографию и водохозяйственную обстановку:

· карта абсолютных отметок поверхности земли;

· карты осадков и испарения (испаряемости);

· карта основных водотоков, водоёмов, каналов и коллекторов (указывается признак наличия);

· карта протяжённости второстепенных водотоков, распределительной и дренажной сети;

· карта абсолютных отметок урезов в основных водотоках, водоёмах, каналах и коллекторах;

· карта средних для стока абсолютных отметок для второстепенных водотоков, распределительной и дренажной сети;

· карты модуля поверхностного стока;

· карта признаков наличия родников и площадного или линейного выклинивания грунтовых вод;

· карта абсолютных отметок выхода родников;

· геоморфологическая карта.

б) Карты, содержащие гидрогеологическую информацию:

· карты гидрогеологической изученности;

· геологическая карта;

· тектоническая и неотектоническая карта;

· литологофациальная карта четвертичных отложений;

· карты абсолютных отметок кровли и подошвы водоносных горизонтов;

· карты гидро- и пьезоизогипс грунтовых и напорных вод;

· карты мощности водоносных горизонтов. Для условий рассматриваемых бассейнов Кыргызстана могут строиться как карты суммарной мощности всей водоносной толщи, так и карты эффективной мощности проницаемых слоёв; карты мощности условно выделенных интервалов разреза по стратиграфическому или другому (возможно произвольному) признаку;

· карты мощности слабопроницаемых слоёв;

· карты мощности зоны аэрации и глубин;

· покомпонентные карты химического состава подземных вод по каждому водоносному горизонту;

· карта инфильтрационного питания грунтовых вод;

· карта модулей подземного и дренажного стока.

в) Карты, содержащие информацию о параметрах водоносных горизонтов и разделяющих слоёв:

· картысхемы вертикальной проводимости подрусловых отложений естественных и искусственных водотоков и участков выклинивания (естественной разгрузки подземных вод);

· карты проводимости водоносных горизонтов;

· карты вертикальной проводимости слабопроницаемых слоёв;

· карты гравитационной водоотдачи;

· карты пористости водовмещающих пород.

г) Карты, содержащие информацию о техногенной нагрузке:

· карты модуля водоотбора из подземных вод, в том числе для хозяйственнопитьевого водоснабжения, орошения, дренажа;

· карта потерь из водораспределительной сети;

· карта модулей дренажного стока;

· карта оросительных и промывных норм;

· карта мелиоративного состояния земель;

· карты расположения источников и очагов загрязнения подземных вод (площадных, линейных, точечных) с выделением типов загрязнения (коммунальнобытовых, промышленных, сельскохозяйственных, транспортных);

· карты распространения загрязнения подземных вод зоны аэрации, почвогрунтов (по видам и интенсивности загрязнения). В каждом конкретном случае выбирается тот набор карт, который соответствует решаемой задаче и уровню детальности, гидрогеологическим условиям, характеру и степени техногенных воздействий на геологическую среду.

Картографическая база локального и объектного уровня. Такие базы формируются для каждого конкретного объекта и могут содержать те карты из перечисленных выше, которые необходимы для решения конкретных задач. Такие задачи, например, могут быть связаны с оценкой влияния отдельных сооружений на состояние подземных вод. Подобные базы могут создаваться при обосновании защитных мероприятий от подтопления отдельных территорий, при прогнозе распространения загрязнения от локальных источников, для обоснования строительства и реконструкции водозаборов подземных вод и т.п.

Фактографическая база данных (ФБД)

ФБД подразделяется на базы данных первичной и обобщённой информации.

Базы данных первичной информации.

Базы данных первичной информации включают непосредственно измеренные величины и предварительно обработанные данные по пунктам наблюдений. Пунктом наблюдений может быть любая точка на местности, к которой привязана какаялибо информация: маршрутная точка, отложение, скважина, родник, метеостанция, гидропост и т.п. При выборе информации, которую следует хранить в ФБД, особое значение приобретает уровень детальности этой информации. Последний в конечном итоге должен зависеть от поставленных задач. Пользователь должен решить, например, нужны ли ему суточные данные об осадках или речном стоке, или ему достаточно иметь среднемесячные величины. Например, следует ли в разрезе скважины выделять прослои менее 1 м. Следует иметь также в виду, что получение обобщённых показателей по тому или иному алгоритму вполне осуществимо с использованием детальной информации, но обратный путь невозможен.

Всю информацию целесообразно разделить на постоянную и переменную (статическую и динамическую). К первой относится, например, описание разреза скважины, ко второй - данные о режиме температуры и напоров подземных вод.

Общую информацию о пункте наблюдения целесообразно хранить в двух базах: "Список пунктов наблюдений" и "Описание пунктов наблюдений".

Для адресной привязки пункта наблюдений служит список показателей, определяющих его положение на местности и принадлежности к той или иной территориальной единице. При этом выделяются: административная область, административный район, населённый пункт, артезианский бассейн или гидрогеологическая провинция, водохозяйственный участок, месторождение подземных вод, участки утверждения запасов, водозаборы, участки наблюдения, планшеты.

Точное положение пункта наблюдения определяется в действующей унифицированной системе координат с точностью их определения по карте соответствующего масштаба. При этом определяются следующие показатели: координата Х, координата У, номер пункта наблюдения, наблюдаемый объект (водоносный горизонт, река, канал и т.п.), назначение пункта наблюдения, абсолютная отметка поверхности земли, географическая координата Х, географическая координата У.

Надо иметь в виду, что постоянство этих данных может быть относительным, поскольку они могут меняться. Так, например, при описании пункта наблюдения "Головное сооружение оросительной системы" к постоянной информации будет отнесена подкомандная площадь, размеры которой могут меняться год от года. Поэтому постоянные показатели тоже должны быть отнесены к конкретной дате.

К переменной информации относятся сами данные, получаемые по пункту наблюдения.

Ниже даётся перечень постоянных и переменных данных по пунктам наблюдения, на примере территории Чуйской впадины, наличие которых необходимо для гидрогеоэкологических оценок и моделирования.

Оросительная сеть. К пунктам наблюдения, характеризующим оросительную сеть, относятся головные сооружения, которые могут подразделяться на: головное сооружение оросительной системы; головное сооружение межхозяйственного назначения; головное сооружение на уровне хозяйства; головное сооружение для подачи воды на поле.

К постоянным характеристикам для головных сооружений относятся: подкомандная площадь орошаемых земель (из них с поверхностным поливом и с применением средств механизации, в том числе с дождеванием и с применением широкозахватной техники); тип сооружения (насосная станция, водозаборная скважина, шлюз + затвор и т.п.); протяжённость водораспределительной сети (магистральных, межхозяйственных каналов и распределителей); противофильтрационные мероприятия на магистральных и межхозяйственных каналах, выраженные в километрах протяжённости, включая монолитнобетонную облицовку, сборную железобетонную облицовку, сборную бетонноплёночную облицовку, грунтовоплёночный экран.

К переменным характеристикам относятся данные о расходах, качестве воды и фильтрационных потерях из каналов и сбросах. Эти данные могут быть как срочными, так и обобщёнными за определённый период времени. Срочные данные относятся к определённой дате или интервалу времени, например, к декаде, а обобщённые - к году.

Коллекторнодренажная сеть. Пунктом наблюдения здесь могут служить замыкающие сооружения, относящиеся соответственно к магистральному; межхозяйственному; внутрихозяйственному коллекторам; концевой участок дрены.

К постоянным характеристикам для этих сооружений могут быть отнесены следующие показатели: подкомандная площадь, в том числе орошаемая; протяжённость дренажа в пределах подкомандной площади по типам (открытых, закрытых); глубина дрен и их диаметр.

Для системы вертикального дренажа: площадь осушения; количество скважин, их глубина и диаметр, тип водоподъёмного устройства, фильтра, площадь, приходящаяся на одну скважину.

К переменным характеристикам относятся данные о расходах и качестве воды. Эти данные могут быть как срочными, так и обобщёнными за определённый период времени. Они могут быть выражены либо в единицах объё-ма, либо среднего за временной период расхода. Данные, характеризующие качество воды, целесообразнее привязывать к определённой дате с указанием даты проведения анализа. К переменным показателям относятся также уровень (в абсолютных отметках) и глубина воды в дренах, а для скважин вертикального дренажа - понижение в скважинах.

Гидропост или гидрометрический створ. К постоянным характеристикам относятся следующие: тип гидрометрического сооружения (гидрометрический мостик, водослив, гидрометрический створ и т.п.), постоянный или временный; характер водотока (река, канал, распределитель, коллектор, дрена, родник и т.д.) и его наименование; время начала наблюдений; площадь водосбора, относящаяся к данному гидропосту.

В том случае, если гидрометрический пост оборудован на водоподающем канале или распределителе, то в число постоянных показателей при его описании целесообразно включить те, которые используются при описании головного сооружения оросительной сети. Соответственно если гидрометрический пост оборудован на дрене или коллекторе, то к его показателям целесообразно добавить характеристики дренирующего массива.

К переменным показателям относятся: расход воды на дату наблюдения; качество воды на дату наблюдения; уровень воды на дату наблюдения; мутность воды (взвешенные частицы).

Метеопост (пост). К постоянным характеристикам, помимо сведений, имеющихся в адресной привязке, следует отнести: класс метеостанции; местоположение (орошаемое поле, богара, населённый пункт и т.п.); начало периода наблюдений; перечень наблюдаемых показателей.

К переменным характеристикам относятся все те показатели погоды, интенсивности солнечной радиации, атмосферных явлений и др., которые наблюдаются на метеостанциях соответствующего класса. Такие данные по государственным метеостанциям и постам имеются в архивах Гидрометеослужбы и могут быть приобретены.

При сборе материала по метеопостам других ведомств можно ограничиться уже обобщённым материалом и пользоваться суточными данными: осадки; температура воздуха на стандартных высотах; испарение с водной поверхности; испарение с почвы (или из почвенного монолита); температура почвы на различных глубинах; атмосферное давление; влажность воздуха (дефицит влажности воздуха); скорость и направление ветра; химический состав атмосферной воды; радиационный баланс земной или водной поверхности.

Воднобалансовая станция. Она является специфическим пунктом наблюдения, для которого целесообразно создать свою собственную базу данных. В "Геобанке" при этом может храниться уже обобщённая информация, характеризующая режим и баланс подземных вод за определённый период времени.

К информации постоянного типа могут быть в данном случае отнесены следующие показатели, описание которых не даётся в адресной привязке: назначение исследований; местоположение станции (орошаемое поле, богара, населённый пункт и т.п.); перечень наблюдаемых показателей и установок для наблюдения (лизиметры, испарители и т.п.); время начала наблюдений за каждым показателем.

Перечисленные выше показатели характеризуют всю воднобалансовую станцию. При этом каждому типу наблюдений соответствуют свои постоянные и переменные показатели. Их перечень приводится ниже.

Лизиметры. К постоянным показателям относятся: мощность монолита (глубина уровня), его диаметр; литологическая характеристика пород монолита; тип культуры, высаженной в лизиметре; условия роста культур (орошаемая, неорошаемая); содержание солей.

Переменные характеристики определяются следующими показателями, осреднёнными за сутки, декаду или месяц: фаза развития культуры; подача воды на орошение; приток (отток) воды в поддон лизиметра; влагозапас монолита; качество оросительной воды; качество воды, поступающей в поддон.

Почвенные испарители. Постоянные показатели: тип испарителя; площадь испаряющей поверхности; тип растительности и условия её произрастания (орошаемая, неорошаемая); литологическое описание пород монолита и их засолённость; местоположение (затенённая или незатенённая поверхность)

Переменные показатели: фаза развития культуры; подача воды на орошение; качественная характеристика оросительной воды; величина испарения за расчётный период.

Испаритель с водной поверхности. Постоянные показатели: тип испарителя; площадь испаряющей поверхности; характеристика места установки (затенённая или незатенённая поверхность).

К переменным показателям относится величина испарения, осреднённая за расчётный период времени.

Базы данных обобщённой информации.

Данные второго типа (обобщённые) целесообразно иметь прежде всего для обзорного и регионального уровней. Они предназначены для получения общих сведений о территориальных подразделениях, выделяемых на основе административного, бассейнового, водохозяйственного, геоморфологического и гидрогеологического принципов. Соответственно они могут содержать информацию по административным районам, речным бассейнам, водохозяйственным системам, а также по территориям, относимым к верхним, средним и нижним частям конусов выноса, межконусным пространствам, долинам рек. По гидрогеологическим условиям могут быть выделены области питания, транзита, разгрузки, водоносные горизонты. При этом обобщённая информация представляется в виде одного цифрового показателя, в пределах контура выделенной территориальной единицы. Соответственно выделяются следующие типы показателей.

Географические показатели: средняя высота местности; среднегодовое количество осадков; среднегодовая испаряемость; протяжённость речной сети; протяжённость оросительной сети; протяжённость коллекторнодренажной сети.

Техногенная нагрузка: количество жителей; площадь, занятая сельским хозяйством (в том числе орошаемой, %); селитебная площадь (%); количество промышленных предприятий; общее поголовье скота; внесение удобрений.

Водохозяйственные показатели: суммарный забор воды из поверхностных вод (в том числе для орошения); суммарный забор из подземных вод (в том числе для орошения); водоотведение с городских территорий и предприятий; дренажный сброс; обеспеченность эксплуатационными запасами по категориям; суммарное поступление загрязняющих веществ по ведущим компонентам с сбросными водами; суммарное поступление солей, в том числе токсичных с дренажным стоком; принос солей с оросительной водой.

Показатели экологогеологического состояния подземных вод: площадь, занятая некондиционными водами с точки зрения хозяйственнопитьевого водоснабжения (погоризонтно, %); площадь с нарушенным режимом подземных вод и коэффициент нарушенности, соответствующего знака (уменьшение или увеличение ресурсов, %); площадь, где фиксируется загрязнение подземных вод соединениями азота, пестицидами, тяжёлыми металлами (%); площадь с незащищёнными от загрязнения грунтовыми водами (%); степень удовлетворения потребности в воде требуемого количества.

Анализ и обобщение перечисленной выше геологической информации должны решаться с помощью машинной обработки, осуществление которой невозможно без классификации и кодирования объектов и характеризующих их показателей. В проблеме создания АИПС ГЭМ эти вопросы ещё более актуальны. Это обусловлено тем, что для нормального функционирования АИПС ГЭМ в отличие от многих других информационных систем необходима информационная база, содержащая показатели не только текущего состояния геологической среды, но и большой объём данных ретроспективного характера. В силу инерционности геологических процессов их развитие в данной момент времени унаследует эффекты влияния многих факторов в течение длительного предшествующего периода. Поэтому, чем больше ретроспективной информации хранится в "Геобанке", тем больше вероятность правильного диагноза текущего состояния геологической среды и разработки модели, позволяющей уверенно прогнозировать будущие её изменения.

Все эти данные могут быть использованы для решения вопросов по размещению народнохозяйственных объектов при проектировании развития производительных сил Кыргызской Республики. Для анализа ситуации, как правило, нужна оценка экологического риска, обеспеченности водными ресурсами с учётом качества воды и возможным их распределением между потребителями, требование которых к качеству воды может быть различным. Эти же данные могут быть использованы для решения вопросов о перераспределении водных ресурсов между территориями (в том числе с трансграничными государствами) с учётом их оптимального использования.

В данной работе использован опыт исследований АИПС ГЭМ Московского градопромышленного комплекса, района Большого Сочи и других районов коллективом Московской научнопроизводственной и проектной фирмы ГИДЭК (Б.В. Боревский, И.С. Пашковский, А.Б. Островский, В.И. Угорец).

Размещено на Allbest.ru