CC BY
67
УДК 504.5+911.6+911.9
И.Н. Ротанова, О.В. Ловцкая, В.Г. Ведухина, Ю.М. Цимбалей Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул
КАРТОГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ГИДРОЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ В ОБСКОМ БАССЕЙНЕ
Проблемы управления водными ресурсами становятся все более актуальными и требуют научно обоснованных комплексных решений. Этому способствует сложность процессов водопользования и изменения условий формирования водных ресурсов (в том числе связанных с изменениями климата). Жизнедеятельность около 15% территории России, промышленное и сельскохозяйственное развитие 14 субъектов РФ тесно связаны с функционированием Обского бассейна. Картографический анализ факторов гидроэкологической безопасности позволяет оценить особенности формирования водного стока, количество и качество водных ресурсов, характер и интенсивность проявления водохозяйственных и водно-экологических проблем, сложившиеся системы
водопользования и механизмы управления ими в разных природно-климатических и организационно-хозяйственных условиях, а также предложить концептуальную модель управления водопользованием в Обском бассейне.
I.N. Rotanova, O.V. Lovtskaya, V.G. Vedukhina, Yu.M. Tsimbaley Institute for Water and Environmental Problems SB RAS 1 Molodyozhnaya St., Barnaul, 656038 Russian Federation
CARTOGRAPHICAL MAPPING FOR PROVISION OF HYDROECOLOGICAL SAFETY IN THE OB BASIN
The problems of water management have become more pressing and call for the science-based complex solution. It is favored by the complexity of water use processes and the changing conditions for the formation of water resources (including the ones associated with climate change). The activity of 15% of Russia territory as well as the industrial and agricultural development of 14 subjects of the Russian Federation are closely related to the Ob basin functioning. The cartographical analysis of the factors of hydroecological safety allows the assessment of the runoff formation, water quality and quantity, the character and urgency of water-related issues, the current systems of water use and their management in different natural-climatic and economic conditions. Besides, it provides a conceptual model of water management in the Ob basin.
Геоинформационное картографирование, опирающееся на достижения и интеграцию в исследовании географических объектов различных отраслей знаний наук о Земле, математических методов и информационных технологий, позволяет использовать имеющийся современный инструментарий для решения сложных задач, одной из которых является пространственный анализ и оценка гидроэкологической безопасности. Подходы к выполнению такого рода исследований находятся в стадии становления, однако уже полученный опыт позволяет говорить о перспективах их применения и развития. Использование картографического метода исследования на основе геоинформационных технологий и
математико-картографического моделирования делают его незаменимым в процессе разработки, реализации и контроля водопользования и водоохранной деятельности.
Картографический анализ факторов природной среды и воздействий на нее позволяет оценить особенности формирования водного стока, количество и качество водных ресурсов, характер и интенсивность проявления водохозяйственных и водно-экологических проблем, а также подойти к системам поддержки принятия решений для целей управления водопользованием и обеспечения гидроэкологической безопасности. Данная задача поставлена и находится в процессе решения для Обского бассейна.
Этап научно-исследовательских работ, завершившийся в 2009 году, включал разработку концептуально-информационной модели формирования водных ресурсов Обского бассейна.
В качестве единиц исследования и пространственного анализа были рассмотрены гидрографические единицы бассейнового и подбассейнового уровней, для чего использован гидрографо-географический подход. Был рассмотрен комплекс физико-географических факторов, влияющих на режим и характеристики речного стока. Эти факторы были разделены на три типа: климатические, подстилающей поверхности и антропогенные. С учетом генетического влияния выделены факторы, непосредственно создающий речной сток - стокоформирующие. Дана оценка природных стокоформирующих факторов бассейна Оби. Для выполнения количественной оценки ресурсов поверхностных и подземных вод создана структура базы данных, осуществлен этап ее наполнения и первоначальная обработка информации.
Подготовлена цифровая картографическая основа для тематического картографирования и составлен ряд базовых карт. Выполнен анализ ландшафтной изученности территории Обского бассейна. В стадии работы находится цифровая ландшафтная карта на территорию бассейна в масштабе 1:2500000 на основе использования ранее изданной [1]. На модельные гидрографические единицы бассейнового и подбассейнового уровней созданы среднемасштабные ландшафтные карты, масштабов 1:100000 -1:200000. Результаты выполненного комплекса работ положены в основу концептуальной модели формирования поверхностного стока в бассейне Оби.
Выявлены и проанализированы экстремальные гидрологические и гидроэкологические явления. Для изучения гидрологических, гидрохимических и гидробиологических характеристик разнотипных водных объектов бассейна определены 16 модельных водных объектов в различных природных зонах бассейна.
Выполнен картографический анализ расположения гидрографических единиц во вмещающих их природных зонах. Анализ показал, что в бассейне Оби в зонах тундры и лесотундры расположена одна гидрографическая единица, в зоне тайги - 10, в лесостепи - 7, в степной зоне - 4 единицы.
Создание цифровых тематических водно-ресурсных и водноэкологических карт на исследуемую территорию включало выполнение ряда работ, среди которых отдельными этапами можно выделить:
- Подготовку цифровой картографической основы для тематического картографирования;
- Сбор и обработку исходных данных, отображающих количественные и качественные характеристики природных вод и природно-антропогенные условия их формирования, создание электронных баз данных;
- Составление базовых адресных карт;
- Составление частных инвентаризационных и оценочных водно-ресурсных и водно-экологических тематических карт [2, 3].
Разработана методика для среднемасштабного водно-ресурсного и водно-экологического картографирования. Методика апробирована при создании серии карт на фрагмент бассейна Верхней Оби (в границах Алтайского края) и модельный бассейн реки Алей [2, 4].
Созданы карты: базовые «адресные», качества поверхностных вод, условий самоочищения поверхностных вод, антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны, комплексная ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и уровню загрязнения поверхностных вод.
Базовые «адресные» карты представляют собой цифровую картографическую основу тематического картографирования с соответствующей атрибутивной базой геоданных.
Карты качества поверхностных вод содержат информацию об уровне загрязнения поверхностных вод по индексу загрязнения воды (ИЗВ) и кратности превышения нормативов по основным показателям, характеризующим уровень загрязнения водных объектов.
Карты условий самоочищения поверхностных вод отображают условия самоочищения поверхностных вод за счет трансформации загрязняющих веществ интегральных условий самоочищения рек (с учетом трансформации и разбавляющей способности).
Карты антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны включают инвентаризационные и оценочные слои. Инвентаризационные слои отображают абсолютные значения исходных показателей. Оценочные слои отображают ранжирование объектов картографирования по показателям антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны и возможности выноса загрязняющих веществ в водные объекты.
Комплексная карта ранжирования водных объектов и их водосборных бассейнов по уровню антропогенной нагрузки и загрязнению поверхностных вод обобщает содержание частных оценочных карт. На основе комплекса показателей антропогенной нагрузки на поверхностные воды, природных условий выноса загрязняющих веществ с территорий водосборов и самоочищения поверхностных вод выделяются кластерные группы водных объектов и их водосборных бассейнов, которые ранжируются по уровню
антропогенной нагрузки. Для определения уровня загрязнения поверхностных вод используется совместный пространственный анализ карт качества поверхностных вод по постам общегосударственной сети наблюдения за окружающей средой (ОГСН) и информационного слоя, отображающего уровень антропогенной нагрузки на водные объекты и их водосборные бассейны. Такая оценка уровня антропогенной нагрузки и загрязнения поверхностных вод возможна для любого створа водосборного бассейна.
На базе стандартных функциональных возможностей ГИС на примере бассейна р. Алей апробирована система оценки и геоинформационно-картографического представления уровня экологически безопасного водопользования, основанная на площадной оценке запасов подземных вод (в контексте ландшафтно-бассейнового подхода), анализе данных по уровню допустимого и фактического (на базе статотчетности) их изъятия и мониторинге ежегодного водопотребления.
Созданные карты позволили комплексно отразить большой объем взаимосвязанной информации по различным показателям, систематизировать ее; проанализировать обеспеченность водных объектов данными наблюдений за качеством вод, оценить состояние водных объектов; выделить территории с острыми экологическими проблемами; оценить реальные возможности в решении водно-экологических проблем и достижении гидроэкологической безопасности.
При оценке антропогенной нагрузки на реки в пределах Верхней Оби наибольшее гидроэкологическое неблагополучие получили водные объекты области внутреннего стока: рр. Кучук, Кулунда и Бурла. Это объясняется низкими расходами воды, которые не обеспечивают достаточного разбавления сточных вод. Кроме того, для Бурлы и Кучука характерно преобладание наиболее опасных типов сточных вод - от промышленных и сельскохозяйственных источников.
Также рассмотрение пространственных особенностей изменения антропогенных нагрузок на уровне бассейнов показало, что высоким уровнем гидроэкологического неблагополучия в связи с антропогенной нагрузкой характеризуются бассейны рек Песчаной, Каменки и Аламбая. Причиной является высокая вероятность поступления загрязняющих веществ с поверхностным стоком и значительные удельные нагрузки по отдельным типам источников загрязнения (населенным пунктам, животноводству, внесению удобрений, ядохимикатов).
Средним уровнем нагрузки и гидроэкологического неблагополучиия характеризуются такие реки как Бия, Барнаулка, Алей, Чумыш. Для Бии преобладание промышленных стоков и значительные объемы водоотведения уравновешиваются достаточно большими расходами воды.
В целом для бассейна Верхней Оби средний уровень антропогенной нагрузки и гидроэкологического неблагополучия, при самых высоких в Алтайском крае объемах водоотведения и высокой доли промышленных сточных вод, объясняется высоким потенциалом самоочищения.
1. Ландшафтная карта СССР. М. 1:2 500000. Отв. Ред. И.С. Гудилин. ИГ ЛГУ.
1980.
2. Ведухина В.Г., Ротанова И.Н. Картографический анализ водно-экологических проблем Алтайского края в целях оптимизации водопользования и водоохранной деятельности // Ползуновский вестник. - 2005. - № 4. с. 107-113.
3. Временные методические указания по комплексной оценке качества поверхностных и морских вод. Утв. Госкомгидрометом СССР 22.09.1986 г. № 250-1163. -М.: 1986.
4. Ротанова И.Н. Водно-экологическое картографирование и его реализация на примере водных объектов бассейна Верхней Оби // Материалы Второй международной конференции «Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов». Иркутск. 2005. с. 226-228.
Работы поддержаны грантом РФФИ № 09-05-00920.
© И.Н. Ротанова, О.В. Ловцкая, В.Г. Ведухина, Ю.М. Цимбалей, 2010
