CC BY
51
УДК 911.9+551.58+004.9
АНАЛИЗ ПРЕДПОСЫЛОК НАВОДНЕНИЙ В БАССЕЙНЕ РЕКИ ЧАРЫШ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГЕОИНФОРМАЦИОННОГО КАРТОГРАФИРОВАНИЯ
Ирина Николаевна Ротанова
Алтайский государственный университет, 656049, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии и ГИС, тел. (3852)29-12-77, e-mail: rotanova07@inbox.ru
Валентин Андреевич Обласов
Алтайский государственный университет, 656049, Россия, г. Барнаул, пр. Ленина, 61, магистрант географического факультета, тел. (3852)29-12-77, e-mail: oblasov92@inbox.ru
Проблемы гидроэкологической безопасности в Алтайском крае в наибольшей степени проявляются в водосборном бассейне реки Чарыш. Актуальной задачей является исследование закономерностей формирования опасных гидрологических явлений в условиях недостаточного обеспечения данными стационарных наблюдений с применением ЦМР и тематических геоинформационных карт. Покрытие ЦМР ландшафтной картой дает дополнительную информацию для выявления зон потенциального затопления.
Ключевые слова: гидроэкологическая безопасность, тематическое геоинформационное картографирование, ЦМР, ландшафтная карта, Алтайский край, река Чарыш.
GEOINFORMATION-CARTOGRAPHIC ANALYSIS OF THE BACKGROUND OF FLOODS IN THE BASIN OF THE RIVER CHARYSH
Irina N. Rotanova
Altai State University, 656049, Russia, Barnaul, 61, Lenina Avenue, Ph. D. (Geography), Associate Professor of Department of Physical Geography and GIS, tel. (3852)29-12-77, e-mail: rotanova07@inbox.ru
Valentin A. Oblasov
Altai State University, 656049, Russia, Barnaul, 61, Lenina Avenue, Master of Faculty of Geography, tel. (3852)29-12-77, e-mail: oblasov92@inbox.ru
Hydroecological security problems in the Altai krai manifest themselves the most in the drainage basin of the river Charysh. An urgent task is to study the regularities of formation of hazardous hydrological phenomena at insufficient provision of stationary observation data using DEM and thematic geoinformational maps. Covering of DEM by a landscape map provides additional information to identify areas of potential flooding.
Key words: hydroecological security, thematic geoinformational mapping, DEM, landscape map, Altai Krai, Charysh river.
Вопросы гидроэкологической безопасности являются актуальными для территории Оибири, России и мира в целом. Отмечается увеличение количества наводнений, рост их интенсивности и разрушительной силы. Экономические потери от воздействия опасных гидрометеорологических явлений в мире в начале ХХ! века составляют сотни миллиардов долларов США в год [1]. По дан-
ным Национального центра водных проблем в Российской Федерации угроза затопления от паводков существует более чем для 40 крупных городов и нескольких тысяч других населенных пунктов. Периодическому затоплению, от паводковых вод, подвержена территория Россия площадью около 500 тысяч га. Среднестатистическая величина ущерба от наводнений по России оценивается в 3.25 миллиардов долларов в год [2]. В азиатской части территории России за последние 20 лет наибольшее число затоплений было отмечено в 2002 г., когда затопления были отмечены в 100 бассейнах рек. При этом наибольший процент затоплений был зарегистрирован в бассейне Оби (54%). В другие годы в Сибири число зарегистрированных наводнений колебалось от 9 до 80 [2]. От наводнений непосредственно страдает население: только на юге Западной Сибири наводнения ежегодно наблюдаются в Новосибирской области (в зоне бедствия - 300 тыс. человек), в Алтайском крае (150 тыс. чел.), в Кемеровской (70 тыс. чел.) и Томской (40 тыс. чел.) областях [3]. Социально-экономический ущерб от наводнений имеет устойчивую нарастающую тенденцию. Однако развития сети гидрологического мониторинга и увеличения количества гидрологических постов на реках с потенциальным риском значительного затопления прибрежных территорий не происходит. Это приводит к необходимости изучать предпосылки и условия формирования опасных гидрологических явлений с использованием современных методов моделирования и информационных технологий. Все большее применение в гидрологических исследованиях получают геоинформационные системы (ГИС) [4-6]. Цифровое моделирование рельефа (ЦМР) речных бассейнов и тематическое геоинформационное картографирование способны обеспечить решение разнообразных задач гидроэкологической безопасности [7-9].
В соответствии с классификацией [10] в настоящее время наиболее характерны наводнения с повторяемостью 1 раз в 10-25 лет (обеспеченность максимальных уровней 4-10%), к наиболее опасным относятся наводнения с повторяемостью 1 раз в 50-100 лет (обеспеченность максимальных уровней 1-2%) и к катастрофическим с повторяемостью реже, чем 1 раз в 100 лет (обеспеченность максимальных уровней менее 1%).
Для огромного большинства речных бассейнов России основной тип наводнений связан с таянием снега, накопленного в бассейнах рек в зимний период - весеннее половодье. Продолжительность формирования высоких уровней воды при половодьях составляет от нескольких суток до 1,5-2 месяцев и зависит от таких факторов, как площадь и средний уклон поверхности бассейна реки, степень покрытия лесами территории и площади, занятой болотами, типа почвенного покрова и других.
Наводнение рассматривается как многофакторный процесс, опасность от которого возникает при совместном действии различных природных условий, однако, в первую очередь, имеющих связь и выражение в рельефе и ландшафтном строении территории. В основном, опасность наводнений распространяется на пойменные и террасовые ландшафтные комплексы водосборного бассейна. Немалую роль в усилении гидрометеорологических опасностях играет хо-
зяйственное освоение водосборных бассейнов, связанное со значительными антропогенными преобразованиями как ландшафтов в целом, так и особенно долинных комплексов водных объектов.
Ежегодное проявление проблем гидроэкологической безопасности характерно для многих районов Алтайского края, в том числе, для водосборного бассейна реки Чарыш. Чарыш берет начало на Коргонском хребте (Республика Алтай), является левым притоком Оби, по полноводности третья река в Алтайском крае после Бии и Катуни. Длина реки около 550 км, по территории Алтайского края протекает на протяжении около 450 км. Площадь водосборного бассейна более 22 тысяч кв. км, основная площадь (около 90 %) - на территории Алтайского края, лишь верховья - в Республике Алтай.
В Чарыш впадает большое количество притоков - малых рек, речушек и ручьев, наиболее крупные из них: Тулата, Сосновка, Камышенка, Иня, Сенте-лек, Бащелак, Белая, Кумир. Данные водотоки на большом протяжении текут в узких обрывистых ущельях.
В общегеографическом отношении водосбор Чарыша большей частью горный, лишь в нижнем течении река выходит на равнину. Верхняя и средняя части водосборного бассейна расположены в горной, преимущественно залесенной территории с абсолютными высотами 800-2300 м, а нижняя - на юго-восточной степной периферии Западно-Сибирской равнины (200-400 м.).
Долина Чарыша в горной части глубоко врезана (до 100 м), ее ширина от 0,5 до 1,0 км, склоны крутые - от 10-15 до 400 м, местами со скальными обнажениями. В равнинной части водосбора русло расширяется местами до 150 м. Оно часто разветвляется с образованием множества островов, покрытых кустарниковой растительностью.
Питание смешанное с преобладанием снегового. Поверхностный сток на водосборе реки формируется за счет талых снеговых вод - 49%, дождевых -30% и грунтовых - 21%. Замерзает в низовьях в конце октября. Ледостав длится с конца ноября до конца марта - начала апреля, толщина льда - до 1,5 м. Зимой обычны наледи.
Половодье многопиковое, растянутое (с апреля по июль) за счёт таяния снега сначала на равнине, позднее в горах на разных высотах. На спаде половодья происходят паводки, связанные с дождями. Максимум половодья приходится на конец мая - начало июня. Уровень воды поднимается на 3-5 м, а при интенсивном снеготаянии - до 8 м, скорость течения увеличивается в 1,5-2 раза. При весеннем ледоходе (3-7 суток) на перекатах и крутых излучинах образуются заторы, вызывающие затопление поймы [11, 12].
В конце ХХ - начале ХХ! вв. в водосборном бассейне Чарыша были выполнены ландшафтные исследования и картографирование [13, 14]. Значительное разнообразие и высотную ярусность ландшафтов водосбора Чарыша обусловливают как его расположение в двух морфоструктурных зонах: горной и равнинной), так и значительный диапазон уровней рельефа, более двух километров, которые сменяются по мере протяженности его с юга на север от прохладного и влажного тундро-гольцового в высокогорьях до умеренно-
засушливого степного типа на равнине. Ландшафтная структура территории характеризуется высокой сложностью пространственной композиции и отражает зонально-региональные и топологические особенности территории. Местностями равнинной части служат комплексы водораздельных поверхностей и склонов междуречных увалов, которые занимают наибольшие площади. Пойменные аккумулятивные образования, занимающие самые низкие уровни рельефа и расчлененные на многочисленные ареалы - наиболее неустойчивы, испытывают постоянную перестройку в связи с систематическим воздействием паводков реки.
Наиболее крупным населенным пунктом является с. Чарышское - центр Чарышского муниципального районного образования. Численность населения вместе с примыкающим к с. Чарышское поселком Красный Партизан составляет 5 тыс. человек. Село расположено в пойме р. Чарыш, частично на насыпном грунте. За счет отсыпок в русле и пойме, возведения ряда защитных дамб, перегораживания проток, в значительной мере изменился уровенный и ледовый режим р. Чарыш и впадающих притоков (ряд малых рек и ручьев), характер руслового процесса. Это привело в последние годы к увеличению величины ущерба от вредного воздействия вод за счет почти ежегодного затопления части села во время прохождения паводков и половодий, размыва берегов, участившегося образования ледовых заторов и проявления наледных процессов.
За счет антропогенных причин изменился характер руслового процесса. На участке между селами Чарышское и Красный Партизан происходит ежегодный размыв берега, за счет чего возникла опасность ухода основного русла р. Ча-рыш в правую протоку, проходящую через центр с. Чарышское. Это может привести к катастрофическим последствиям.
В с. Чарышское и других населенных пунктах Чарышского района наибольшее опасение вызывают малые реки и протоки р. Чарыш, на которых в зимний период ежегодно образуются наледи, за счет которых происходит подтопление жилых домов. Естественные процессы наледеобразования существенно активизируются за счет антропогенных причин (устройство водопропускных отверстий дорог, не обеспечивающих пропуск зимних расходов, изменение ледовотермического режима за счет многочисленных прорубей, устройства ледовых переправ, стеснение русел рек дамбами и отсыпками).
С целью анализа опасных гидрологических явлений в бассейне Чарыша выполнены морфометрические исследования с использованием ЦМР его водосбора. ЦМР послужила основой для определения зон возможного затопления при паводковых ситуациях с привлечением материалов GPS-съёмки, полученных ранее экспедициями ИВЭП СО РАН и Географического факультета АлтГУ [15-17]. ЦМР обладает достаточным объемом информации для определения общего рисунка сети стока в водосборном бассейне и выявления потенциально затопляемых участков в пойменной части. Моделирование гидрологических характеристик бассейна р. Чарыш производилось в среде ArcGIS c помощью инструмента Hydrology, модуля пространственного анализа Spatial Analyst. Построены базовые морфометрические модели, характеризующие рельеф водо-
сборного бассейна. Выполнено геоинформационное картографирование в масштабном ряду 1:10 000 - 1:200 000 для разной обеспеченности максимального уровня воды (от 1% до 50%).
Выделены потенциальные зоны затопления береговых территорий при прохождении наводнений, которые охватывают пять сёл Чарышского района. В зону затопления попадают жилые дома в с. Чарышское (р. Чарыш), в с. Красный Партизан, в с. Сентелек (р. Сентелек), в с. Тулата (р. Тулата), в с. Долин-ское (р. Тулата). Существующие защитные дамбы в этих селах построены без проектов и находятся в неудовлетворительном состоянии, не выполняя своих функций (рисунок).
Рис. Потенциально опасная зона затопления с обеспеченностью максимального уровня воды 1 -10% в бассейне р. Чарыш (с. Тулата)
С использованием ЦМР в ГИС водосборного бассейна Чарыша решался ряд гидрологических задач: расчет элементарных морфологических показателей (углов наклона и экспозиции склонов, расчет площадей), оценка формы склонов, анализ поверхностного стока на территории, генерация сети тальвегов и водоразделов, просмотр данных в трех измерениях, аналитическая отмывка рельефа интерполяция значений высот, другие трансформации исходной модели. Основными показателями опасности наводнений являются: повторяемость наводнений, их величина и площадь распространения.
Покрытие ЦMP ландшафтной картой позволяет наполнить выделенные контуры на данной карте дополнительной информацией, выявить участки возможного развития опасных экзодинамических процессов (линейной эрозии, плоскостного смыва и т.д.). Например, данные о крутизне склонов позволяют выделить различные типы склоновых геосистем. Опция установления вертикального масштаба модели позволяет увеличить "рельефность" равнинных территорий. Такой способ представления территории помогает при ориентации на модели, дает новые сведения о местности.
Построенная UMF, создаваемая ГИС и геоинформационное картографирование позволяют в условиях недостаточного обеспечения данными стационарных наблюдений проводить оценку опасных гидрологических явлений водосборного бассейна р. Чарыш.
В ходе выполнения работ с применением HM? дана оценка природной опасности наводнений в бассейне Чарыша, построены соответствующие карты по степени опасности, определяемой глубиной затопления поймы и повторяемостью наводнений.
На основе данных ГИС планируется проведение работ по моделированию уровенного режима и русловых процессов при различных вариантах инженерной защиты; рассмотрение вариантов берегоукрепления, а также разработка карт зонирования водосборной территории по степени паводковой опасности по повторяемости превышения уровня воды в паводок критического уровня и мощности паводка.
Исследование выполнено при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований в рамках научного проекта № 16-45-220861 р_а.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Авакян А.Б. Наводнения в прошлом, настоящем и будущем. Концепция защиты. // Российская наука на заре нового века. M.: Научный мир, 2001. - С. 306-316.
2. Некоммерческое партнерство «Национальный центр водных проблем» / [Электронный ресурс] - Рус. - Режим доступа: http://npncvp.ru/pavodki-navodnenia-info.html
3. Безопасность и риски устойчивого развития территорий / Левкевич В.Е., Лепихин АЖ., Mосквичев В В., Никитенко П.Г., Ничепорчук В В., Шапарев Н.Я., Шокин Ю.И. -Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2014. - 224 с.
4. Ведухина В.Г., Ротанова И.Н. Картографический анализ водно-экологических проблем Алтайского края в целях оптимизации водопользования и водоохранной деятельности // Ползуновский вестник. 2005. № 4-2. - С. 107-113.
5. Ловцкая О.В., Ротанова И.Н., Суторихин И.А. Mатематико-картографическое обеспечение создания геоинформационно-аналитической системы "Вода и экология Сибири" // Вычислительные технологии, 2007. Т. 12. № 3. - С. 65-71.
6. Rotanova Irina N. and Lovtskaya Olga V. Approaches to Infrastructure Provision of Spatial Water-ecological Data on the Ob' River Basin Systems // Thematic Cartography for the Society, Series: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography. - New York, Dordrecht, London: Springer Cham Heidelberg. 2014, XV. - P. 105-118.
7. Зиновьев А.Т., Кошелев К.Б. Mоделирование процесса затопления пойменных территорий для участков крупных рек со сложной морфометрией русла и поймы // Водное хозяйство России: проблемы, технологии, управление. 2013. № 6. - С. 17-31.
8. Зиновьев А.Т., Ловцкая О.В., Балдаков Н.А., Дьяченко А.В. Геоинформационное обеспечение для решения гидрологических задач // Вычислительные технологии. 2014. № 3. - С. 60-72.
9. Плехова А.В., Харламова Н.Ф. Факторы формирования чрезвычайных гидрологических ситуаций в бассейнах малых рек предгорно-низкогорной зоны Алтая // Ломоносовские чтения на Алтае: фундаментальные проблемы науки и образования. - Барнаул: Изд-во Алт. ун-та, 2015. - С. 1407-1410.
10. Нежиховский Р.А. Наводнения на реках и озерах. - Л.: Гидрометеоиздат, 1988. -
184 с.
11. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики. Том 15. Алтай и Западная Сибирь.- Л.: Гидрометеоиздат, 1962. - 462 с.
12. Чураков Д.С., Дорощенков О.П., Игнатович А.И. Водные ресурсы и состояние водоохранных зон бассейна р. Чарыша // Экологические проблемы использования водных и земельных ресурсов на юге Западной Сибири. - Барнаул, 1997. - С. 26-50.
13. Пурдик Л.Н. Ландшафтная структура бассейна Чарыша // География и природопользование Сибири. - Барнаул : Изд-во АГУ. 2002. .Вып. 5. - С .157-180.
14. Стоящева Н.В., Пурдик Л.Н. Особенности формирования экологического каркаса в маргинальной зоне (на примере бассейна реки Чарыш) // Мир науки, культуры, образования. 2009. № 2 (14). - С.29-32.
15. Михайлов С.А., Ротанова И.Н. Подготовка параметров гидрологической модели на основе преобразования картографической информации // География и регион. Секция VII: Картография и геоинформатика. - Пермь: Изд-во ПГУ. 2002. - С. 162-165.
16. Ротанова И.Н., Михайлов С.А., Шибких А.А. Формализация картографической информации для ГИС и гидрологического моделирования: проблемы и подходы // Изв. вузов. Сер. Геодезия и аэрофотосъемка, 2004. № 3. - С. 157-163.
17. Ротанова И.Н., Лут Е.Ю. Геоинформационно-картографическая поддержка исследования предпосылок возникновения чрезвычайных ситуаций гидрометеорологического характера в бассейне реки Чарыш (Алтайский край) // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : 6-я Междунар. конф. «Раннее предупреждение и управление в кризисных ситуациях в эпоху "Больших данных"» : сб. материалов (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. - С. 13-17.
© И. Н. Ротанова, В. А. Обласов, 2016
