Перспективы применение ГИС технологий FloodMap для прогнозирования риска затопления на водных объектах Воронежской области Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»
Аннотация научной статьи по наукам о Земле и смежным экологическим наукам, автор научной работы — Долженкова Виолетта Владимировна, Звягинцева Алла Витальевна
Рассматриваются некоторые вопросы организации системы мониторинга и прогнозирования развития половодья с применением информационных систем. Проводится анализ влияния гидрологической обстановки 2011 г. на прохождение весеннего половодья в 2012 г. на территории Воронежской области. Показана взаимосвязь пространственного анализа и географических систем на конкретном водном объекте одной территории. На основе пространственного анализа с применением ГИС-технологий FloodMap рассмотрены вопросы мониторинга и прогнозирования зон затопления территории, обусловленных весенним половодьем , на примере нижнего течения р. Битюг в Воронежской области.
Похожие темы научных работ по наукам о Земле и смежным экологическим наукам , автор научной работы — Долженкова Виолетта Владимировна, Звягинцева Алла Витальевна
PROSPECTS OF APPLICATION THE FLOODMAP GIS TECHNOLOGIES TO PREDICT THE RISK OF FLOODING ON WATER BODIES IN VORONEZH OBLAST
Some questions of the organization the monitoring and prediction of floods using information system was considered. The analysis of the impact of hydrological conditions in 2011 the passage of spring floods in 2012 in the Voronezh region are made. It was shown the relationship of spatial analysis and geographic systems on a specific water body area. On the basis of spatial analysis using FloodMap GIS technology the questions about monitoring and forecasting the flood zone due to spring flood, on the example of lower reaches of the river Bityug in Voronezh oblast.
Текст научной работы на тему «Перспективы применение ГИС технологий FloodMap для прогнозирования риска затопления на водных объектах Воронежской области»
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЕ ГИС ТЕХНОЛОГИЙ FLOODMAP ДЛЯ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ РИСКА ЗАТОПЛЕНИЯ НА ВОДНЫХ ОБЪЕКТАХ ВОРОНЕЖСКОЙ ОБЛАСТИ
© 2015 В.В. Долженкова, А.В. Звягинцева
Воронежский государственный технический университет
Поступила в редакцию 03.06.2016
Рассматриваются некоторые вопросы организации системы мониторинга и прогнозирования развития половодья с применением информационных систем. Проводится анализ влияния гидрологической обстановки 2011 г. на прохождение весеннего половодья в 2012 г. на территории Воронежской области. Показана взаимосвязь пространственного анализа и географических систем на конкретном водном объекте одной территории. На основе пространственного анализа с применением ГИС-технологий FloodMap рассмотрены вопросы мониторинга и прогнозирования зон затопления территории, обусловленных весенним половодьем, на примере нижнего течения р. Битюг в Воронежской области.
Ключевые слова: гидрологические характеристики, мониторинг, прогнозирование, пространственный анализ, географические информационные системы, безопасность, информационно-аналитическая система, весеннее половодье, зона затопления
ГИС как инструмент подходит для хранения и управления большими объемами пространственной информации. Для исследователя важно, чтобы ее можно было бы использовать в различных целях для мониторинга и прогнозирования опасных техногенных и природных явлений. ГИС -это технология, базирующаяся на математической основе (как в виде картографических источников, так и языка программирования, кодирующего вводимую информацию). Это накладывает ограничения для «качественного» анализа ряда явлений, особенно их физической сущности. Геометрические отображения и особенности ввода атрибутивной информации в ГИС обусловливают в большей степени количественный анализ. Традиционно ГИС сосредотачивается на обработке статистических данных. Однако ошибочно думать, что количественный пространственный анализ может быть использован только для количественных исследований статистического плана. В настоящее время многие исследователи ГИС и пространственный анализ связывают воедино. Однако необходимо отметить, что пространственный анализ на практике предшествует созданию ГИС. Прежде, чем использование ГИС стало столь распространенным во многих областях исследования, пространственный анализ включал в себя три направления:
Долженкова Виолетта Владимировна, аспирантка Звягинцева Алла Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры химии. E-mail: zvygincevaav@mail. ru
1) Исследование изменений объектов в пространстве;
2) Изучение пространственно-временных закономерностей;
3) Пространственный прогноз, который предлагает варианты развития ситуации.
К определению пространственного анализа можно подходить с разных сторон. В узком смысле данный термин в нашем случае - это набор процедур и методов анализа данных объектов, локализованных в пространстве. В широком понимании, пространственный анализ определяют, как подход исследования пространственных закономерностей объектов, пространственно-временное развитие сложных пространственных систем. В зарубежной литературе [1, 2] разные подходы к пониманию пространственного анализа нашли отражение в изучении его в двухуровневом формате. На более низком уровне его ассоциируют с пространственным статистическим анализом, который состоит из методов статистической обработки данных в координатном пространстве. Он является частью более обширной области собственно пространственного анализа, который заинтересован в получении сведений о пространственных и пространственно-временных явлениях или процессах при использовании количественных методов оценки.
Главная цель пространственного анализа -лучшее понимание пространственных скоплений явлений и их пространственных отношений. Пространственные статистические исследования - это подходы, которые используют статистические методы, для сопоставления реальных статистических данных события со статистической моделью [3]. Можно было бы предположить, что любой статистический анализ, выполненный географами, будет представлять собой пространственный
анализ [3, 4]. Однако это серьезное заблуждение. Большинство статистических методов сосредотачиваются на данных, но игнорируют их местоположение, в результате чего не могут быть использованы в ГИС по ряду причин. Во-первых, значительная часть методов производит глобаль-ную оценку данных области исследования. В результате появляется такое явление, как пространственная однородность, что не всегда оправдано. Пространственный анализ как раз должен учитывать возможные изменения процессов и явлений. Из-за этой необходимости появилась новая группа методов, которая принимает во внимание характер местоположения объектов, исследуя, таким образом, пространственную неоднородность. Во-вторых, на практическом уровне природа большей части самих данных зачастую не подходит для стандартных вариантов статистического анализа. И для этого есть три причины: пространственные зависимости, проблема изменения результатов при изменении масштаба рассмотрения проблемы, экологическая ошибка.
Многие статистические методы предполагают, что наблюдения при исследовании независимо случайны, другими словами, что каждое наблюдение не будет затрагивать или затрагиваться любым другим наблюдением. Использование этих методов по отношению к географическим данным недопустимо. Это - и проблема и возможность одновременно. Проблема, потому что это лишает законной силы многие распространенные статистические методы. А возможность, потому что влияние, которое одно место оказывает на соседние, является вопросом, которым как раз и интересуются люди, использующие ГИС. Эти методы обычно проверяются посредством пространственной автокорреляции, то есть степени, до которой наблюдения в наборе данных коррелируют с другими наблюдениями в том же самом наборе данных [14].
Основанный на ГИС пространственный анализ открывает новые подходы к пониманию пространственной неоднородности и пространственным зависимостям, которые могут сделать пространственный анализ намного более ценным источником информации. Рассмотренные эффект масштаба и экологическая ошибка кажутся, на первый взгляд, довольно трудными в плане преодоления, но они должны расцениваться как фундаментальные ограничения исходных данных, которые требуют качественной интерпретации, а не количественных подсчетов [1]. В зарубежной литературе [1, 2] можно встретить несколько основ-ных направлений пространственного анализа, сопряженных с геометрической формой отображения реалий: анализ изменений точечных объектов, полигонов и линейных структур. Далее мы попытаемся кратко рассмотреть возможные варианты
исследования в рамках этих направлений на примере одной территории.
В настоящее время информация о гидрологическом режиме рек и водоемов, необходимая для анализа риска развития половодья и прогноза основных его характеристик, имеется в основном, только для небольшой части речной сети, где сохранилась явно недостаточная сеть гидрометеорологических станций и постов, измерения на которых производятся с применением в основном устаревших методов и измерительных приборов. Особое значение в вопросе повышения качества, как входной гидрометеорологической информации, так и получаемых прогнозов, играет не только усовершенствование способов измерения (определения) [3-9], но совершенствование методологии мониторинга гидрологических характеристик.
Существует достаточно много технических решений, позволяющих создать в необходимом объеме автоматизированную сеть, включающую в себя группу модулей сбора данных (приборы, датчики), размещенных на интересующих участ-ках гидрологической сети, каналы связи и центр обработки получаемой информации, где приме-няется специализированное программное обес-печение, обрабатывающее поступающие с модулей сбора данных сигналы о наблюдаемых гидрометрических характеристиках. Принципиальная функциональная схема системы автоматизированного мониторинга гидрологических характеристик и оперативного прогнозирования наводнений и паводков [6, 7], предлагаемая ООО «НПП «Энергетические и информационные технологии» БелГУ, представлена на рис. 1.
В рассматриваемой функциональной схеме средствами прикладного программного обеспечения автоматизированного рабочего места (АРМ) должна обеспечиваться реализация следующих сервисов: фильтрация входных данных концентратора, построение векторов параметров входных данных с объектов расположения измерительно-вычислительных комплексов (ИВК), построение прогнозов развития опасных гидрологических явлений на основе сформированных векторов входных параметров. Выходные данные программного обеспечения АРМ, представляют собой текущие и прогнозируемые уровни поверхности воды в зоне влияния на исследуемый объект водопользования, должны отображаться в виде векторных объектов на цифровой карте-схеме прилегающей местности. На основании прогноза развития наводнения либо паводка принимается решение по заблаговременному оповещению населения, проживающего в районе возможного затопления и руководителей предприятий, попадающих в зону риска, рассмотренные в ряде работ [4, 9]. В данной работе показана взаимосвязь пространственного анализа и географических систем на конкретном объекте одной территории.
Статистические данные Метеопараметры
Рис. 1. Функциональная схема системы автоматизированного мониторинга гидрологических характеристик и оперативного прогнозирования наводнений и паводков [6]
Анализ состояния гидрологических постов в Воронежской области. В соответствии с ФЦП «Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012-2020 годах» (далее -ФЦП) одним из основных факторов, влияющих на качество гидрологических прогнозов, является обеспеченность данными наблюдений за гидрометеорологическими характеристиками окружающей среды. В соответствии с ФЦП одним из основных факторов, влияющих на качество гидрологических прогнозов, является обеспеченность данными наблюдений за гидрометеорологическими характеристиками окружающей среды [8, 10]. По состоянию на конец 2010 г. общее количество пунктов гидрологических наблюдений (далее -ПГН) государственной наблюдательной сети Росгидромета составляло около 3150 единиц [10]. В различное время на территории Воронежской области действовало разное количество гидропостов, например, при разработке материалов паспортизации населенных пунктов и объектов хозяйствования по предупреждению чрезвычайных ситуаций от затопления и подтопления (1994 г.) использовались данные по 30 ПГН Воронежского гидро-метеоцентра. В настоящее время на территории области действует 13 ПГН (на реках и водохранилищах), из которых 3 пункта - неинформационные. В соответствии с рекомендациями Всемирной метеорологической организации для обеспечения качественных гидрологических прогнозов плотность ПГН должна превышать сложившуюся в Российской Федерации в 3 раза, однако с учетом неравномерности социально-экономической освоенности территории минимальное количество ПГН для нашей страны, по оценкам специалистов, составляет около 4300 - 4400 единиц [10]. Следуя логике для территории Воронежской области количество ПГН должно быть увеличено с 13 до 39 или с учетом неравномерности социально-экономической
освоенности территории до 18. В рамках ФЦП предполагается открытие 2 ПГН, таким образом, на момент окончания реализации ФЦП на территории Воронежской области будет действовать 15 ПГН Росгидромета (на реках и водохранилищах). Кроме этого в соответствии с распоряжением правительства Воронежской области от 06.11.2013 №939-р «О выделении денежных средств на устройство водомерных постов», на территории Воронежской области будет создано еще дополнительно 7 водомерных постов, которые будут работать в период весеннего половодья [11]. Конечно, по уровню точности и систематизации проводимых наблюдений, данные посты не заменят посты Росгидромета. Таким образом, можно расширить сеть ПГН, ведь как отмечалось выше их плотность и наличие влияет на качество гидрологических прогнозов, а, соответственно, и на прогноз возможных ЧС в период весеннего половодья. За счет организации предоставления данных со всех развернутых водомерных и гидрологических постов (69 постов) согласно проведенному анализу получается следующая обстановка с гидрологическими постами (табл. 1, рис. 2).
На территории Воронежской области источником чрезвычайной ситуации гидрологического типа могут быть высокие уровни воды (половодье (при интенсивном таянии снега весной и других сопутствующих факторах), дождевые паводки, заторы льда). Сведения о текущем состоянии объектов позволяют более детально и точечно спланировать действия направленные на защиту жизни и здоровья населения, а также имущества граждан и различных организаций. На основании полученных данных можно вести построение модели затопления (подтопления) территории по текущим уровням затопления территории с учетов прогноза подъемка уровня воды. Применение географических информационных систем позволит более
оперативно получать данные мониторинга гидрологической обстановки и повысит качество прогностических оценок.
Цель работы: разработка прогноза затопления территории при разливе р. Битюг в нижнем течении на основе пространственного анализа с применением ГИС-технологий.
Методы исследования: математическое моделирование, пространственный анализ. Программное обеспечение: пакет статистического анализа Statistika, географические информационные системы, сервис по построению зон затопления FloodMap, географическая информационная система ArcGIS по разработке прогноза затопления территории в нижнем течении реки Битюг на основе пространственного анализа.
Актуальность работы обусловлена особенностью затопления территории нижнего течения р. Битюг, что влияет на разработку прогноза опасных природных явлений гидрологического характера и должно быть учтено при планировании мероприятий по предупреждению и ликвидации их последствий [8, 12].
В нижнем течении р. Битюг находятся следующие населенные пункты: х. Ступино, с. Лосево, х. Безымянный, х. Чугуновка, х. Антиповка, х.Серов, с. Шестаково, пос. Малый Кисляй, с. Ме-четка - при соответствующих подъемах уровней
воды в р.Битюг возможно попадание некоторых населенных пунктов в зону затопления (рис. 3).
Для Битюга характерны три участка - верхний, средний и нижний участок реки. Верхний участок длинной 150 км простирается от истока до устья р. Эртиль. Исток Битюга находится близ села Лужки Тамбовской области. В начале участка долина реки узкая. Берега русла высотой 1-3 м слабо рассечены оврагами и балками. В конце участка русло образует петли и спрямляющие их протоки, которые далее становятся главным руслом. Пойма многорукавная. На верхнем участке Битюг принимает воды рек Пласкуша, Чемлык, Гнилуша, Само-вочка, Матреночка. В засушливом 1972 году река Битюг в верхнем участке почти пересыхала, годовая амплитуда колебания уровней воды лишь немногим превысила 1 м (103 см). Средняя же величина амплитуды, колебания уровней воды почти в 4 раза выше (378 см).
Самая большая водность реки весной. В апреле 1957 г. было зарегистрировано очень высокое половодье (максимальный расход 410 м3/с), в 1972 г. - катастрофически низкое (расход доходил лишь до 6,22 м3/с). Весенний ледоход, который обычно начинается 4 апреля и продолжается 4 дня, в некоторые годы отсутствует. Продолжительность периода с ледовыми явлениями (от осенних заберегов до весеннего редкого ледохода) составляет 5 месяцев.