CC BY
87
УДК 004.9+528.9
ГЕОИНФОРМАЦИОННО-КАРТОГРАФИЧЕСКАЯ ПОДДЕРЖКА ИССЛЕДОВАНИЯ ПРЕДПОСЫЛОК ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОГО ХАРАКТЕРА В БАССЕЙНЕ РЕКИ ЧАРЫШ (АЛТАЙСКИЙ КРАЙ)
Ирина Николаевна Ротанова
Алтайский государственный университет, 656049, Россия, г. Барнаул, ул. Ленина, 61, кандидат географических наук, доцент кафедры физической географии и ГИС; Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1 ведущий научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (3852)29-12-77, факс: (3852)29-12-75, e-mail: [email protected]
Евгения Юрьевна Лут
Институт водных и экологических проблем СО РАН, 656038, Россия, г. Барнаул, ул. Молодежная, 1, аспирант лаборатории гидрологии и геоинформатики, тел. (3852)29-12-77, факс: (3852)29-12-75, e-mail: [email protected]
В статье рассматриваются вопросы геоинформационно-картографической поддержки и математического моделирования в исследованиях предпосылок возникновения чрезвычайных ситуаций гидрометеорологического характера.
Ключевые слова: чрезвычайная ситуация, геоинформационное картографирование, гидрометеорологические исследования, Чарыш, Алтайский край.
GEOINFORMATICS AND CARTOGRAPHICAL SUPPORT FOR RESEARCH OF PRECONDITIONS OF HYDROMETEOROLOGICAL EMERGENCIES IN THE CHARYSH RIVER BASIN (ALTAI KRAI)
Irina N. Rotanova
Altai State University, 656049, Russia, Barnaul, 61 Lenin St. Ленина, Ph. D.; Institute for Water and Environmental Problems, SB RAS, 656038, Russia, Barnaul, 1 Molodezhnaja St., Associate Professor, tel. (3852)29-12-77, fax: (3852)29-12-75, e-mail: [email protected]
Evgeniya Yu. Lut
Institute for Water and Environmental Problems, SB RAS, 656038, Russia, Barnaul,
1 Molodezhnaja St., Postgraduate, tel. (3852)29-12-77, fax: (3852)29-12-75, e-mail: [email protected]
In article questions of geoinformatsionno-cartographical support and mathematical modeling in researches of prerequisites of emergence of emergency situations of hydrometeorological character are considered.
Key words: emergency situation, geoinformation mapping, hydrometeorological researches, Charysh, Altai Krai.
Резкое возрастание чрезвычайных ситуаций гидрологического характера вызывает необходимость выполнения исследований, связанных с происходящими гидроклиматическими изменениями, что является одной из актуальных
для многих регионов мира, включая Алтайский край. Проблемы гидроэкологической безопасности в Алтайском крае наиболее остро проявились в весенне-летний сезон 2014 г. Наводнение 2014 г. из-за ливней и затяжных дождей произошло в 22 районах края, в том числе, в наибольшей степени в бассейне реки Чарыш. Особое внимание к изменениям климата, к увеличению количества катастрофических наводнений обусловлено не только реально отмечаемыми фактами, но и возрастающей озабоченностью общества неопределенностью этого явления на фоне общей политической, экономической и социальной нестабильности в мире [Ротанова, Харламова, Останин, 2012]. В рамках изучения наблюдаемых и прогнозируемых гидроклиматических изменений, существующих и потенциальных природных рисков, возможных чрезвычайных ситуаций и обеспечения гидроэкологической безопасности ставятся задачи поиска путей и подходов к адаптации природных и социально-экономических систем к глобальным изменениям. В связи с этим уже предложены и предлагаются глобальные и региональные климатические модели. Значимую роль в изучении закономерностей функционирования водных объектов играют геоинформационно-картографические гидрологические (эколого-гидрологические) исследования.
Вопросы влияния глобальных изменений, включая гидроклиматические, на экосистемы и социально-экономические системы, а также проблемы определения их реакции на происходящие и грядущие воздействия и вместе с тем возможности и ограничения адаптации к новым условиям - все это является в настоящее время приоритетным для научного познания и рассмотрения в качестве вызовов науке в общепланетарном, международном и региональном масштабах.
В международном масштабе и в России существует опыт изучения чрезвычайных гидрологических ситуаций, математического моделирования водного режима территорий, инженерно-гидрологических расчетов, оценки водно-ресурсной и эколого-воднобассейновой обстановки регионов регионов (GLEAMS, 1987; SWRRB, 1990; SWIM, 2000 и др.).
Вместе с тем, проблема сложна и не решена. Имеющийся опыт ориентирован на умеренный (европейский) климат и определенный тип водного режима. Оценка ситуации в бассейне Оби и ее притоков требует новой методологической проработки в связи с особенностями климатических, гидрогеологических и гидрологических условий, что вызывает необходимость более детального рассмотрения подземных и наземных источников водоснабжения, дополнительных исследований отдельных, наиболее проблемных территорий.
Совершенствование методов анализа и оценки базируется на накопленном к настоящему времени объеме информации о природном качестве подземных вод, загрязнении поверхностных вод, и невозможно без применения современных технологий в области сбора, обработки, моделирования и представления пространственно-временных данных, ведения кадастра и мониторинга водных объектов.
Проблемы оценки и прогнозирования состояния водных ресурсов суши, количественных и качественных изменений, происходящих в поверхностных водах под влиянием хозяйственной деятельности человека, все больше прико-
вывают внимание ученых и специалистов разных областей знания. Признается, что успешными такие исследования могут быть лишь при рассмотрении водных проблем на основе бассейнового подхода [Human..., 1999; Irina N. Rotanova and Olga V. Lovtskaya, 2014].
В последние десятилетия особенно заметно вырос интерес к геоинформационно-картографическому моделированию гидрологических процессов на крупных водосборах в связи обострением экологических проблем и широким осознанием того факта, что разработка мероприятий по улучшению состояния вод в масштабах речных бассейнов требует соответствующих инструментов оценки и прогнозирования. Развитие геоинформационных технологий предоставляет широкие возможности для геоинформационно-картографического моделирования речного стока с крупных водосборов. Связь между ГИС и гидрологическими детерминированными моделями является естественной, поскольку моделирование стока предполагает использование пространственно распределенных параметров территории. Геоинформационные системы имеют в своих «арсеналах» функции гидрологического моделирования, позволяющие определять на основе цифровой модели рельефа различные гидрологические характеристики.
При моделировании гидрологических процессов геоинформационные системы находят применение, чаще всего, в двух случаях. Во-первых, ГИС используются как инструмент выделения в изучаемых гидрологических системах естественных подсистем, а также однотипных в природном и хозяйственном отношении участков [Krysanova et al., 1999]. Второе направление - это развитие ГИС-интерфейса к известным компьютерным моделям, который позволяет генерировать для них файлы входных данных, используя цифровую модель рельефа и другие заложенные в ГИС характеристики водосборов (почвы, растительность и т. п.) [GIS Hydro, 1999].
Можно отметить работы, в которых численное моделирование гидрологических процессов и сопутствующих процессов формирования водного стока производится средствами геоинформационных систем, с помощью внутреннего языка запросов и управления данными, реализованного в некоторых стандартных ГИС. Поскольку в задачах моделирования важным моментом является анализ чувствительности используемых численных алгоритмов к изменению параметров дискретизации расчетной схемы, вопросы по проведению таких исследований стали подниматься в литературе и относительно вычислительных возможностей ГИС.
Например, в работе [Vieux, 1993] обсуждалось влияние размера ячеек сетки ЦМР на величину уклонов и длин склонов, рассчитываемых с помощью ГИС, и, как следствие, на вычисляемые объемы поверхностного стока. В другой работе B. Vieux and S. Needham [1993] показали, что укрупнение сетки ведет к тому, что рассчитываемая с помощью ГИС длина водотоков становится меньше, а вынос взвешенных веществ с водосбора увеличивается. Краткий обзор работ по применению ГИС в гидрологическом моделировании сделан, например, в [DeVantier and Feldman, 1999; Olivera and Maidment, 1999].
В научной литературе обсуждаются и связанные с вопросами моделирования в геосистемах проблемы стандартизации исходной тематической картографической информации. Характерные для географии и использующиеся при картографировании описательные подходы в ходе внедрения алгоритмических методов претерпевают преобразования, включающие элементы формализации, единообразия, ограничительных условий. Однако специфика географических объектов как территориальных образований, имеющих жесткое пространственное положение и структуру, усложняет вопросы их типизации и использования в качестве исходной информации в математических моделях. Эта проблема особенно актуальна для сложных пространственных систем, какими являются бассейны крупных рек.
В геоинформационных системах, обеспечивающих хранение и манипулирование большими объемами пространственно-координированных данных, не всегда решены вопросы корректности различной тематической информации. Весьма резко они проявляются при применении ГИС для гидрологического моделирования, когда необходимо использовать одновременно набор показателей различных тематических слоев. Немалое внимание исследователями уделяется также проблеме выбора элементарного носителя информации в ГИС (ячейки первичной информации): либо сеточное разбиение, либо принятие в качестве основы природного пространственного объекта - ландшафта.
Все выше сказанное свидетельствует о комплексности проблем применения геоинформационно-картографических данных в исследованиях предпосылок возникновения чрезвычайных ситуаций гидрометеорологического характера. Эти исследования имеют фундаментальное значение, а судя по продолжающимся публикациям в научной литературе и международным конференциям, посвященным вопросам использования ГИС в гидрологическом моделировании [GIS Hydro, 1999; Proceedings..., 2000], не уменьшается важность научных исследований в данной области. Наводнение 2014 г. из-за ливней и затяжных дождей в Алтайском крае, в том числе, в наибольшей степени пострадавшей территории бассейна реки Чарыш, многоснежная зима 2014-2015 гг., гидрометеорологический прогноз на весенний период 2015г. создают предпосылки и необходимость геоинформационно-картографических работ и гидрологического моделирования территории Алтайского края.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ротанова И.Н., Харламова Н.Ф., Останин О.В. Изменения климата Алтая за период инструментальных исследований // Изв. АлтГУ, 2012. - №3-2 (75). С. 105-109.
2. DeVantier B. A. and Feldman A. D. Review of GIS applications in hydrologic modeling// J. Water Resources Planning and Management (ASCE). - 1993. - Vol. 119, No. 2. - P. 246-261.
3. GIS Hydro'99: Introduction to GIS Hydrology / 1999 ESRI International User Conference. Pre-Conference Seminar. - Center for Research in Water Resources, Univ. Texas at Austin. 1999 (on CD-ROM).
4. Human dimensions of watershed management/J. Am. Water Resources Ass. - 1999. -Vol. 35, no. 3 (Special Issue). - P. 483-683.
5. Irina N. Rotanova and Olga V. Lovtskaya Approaches to Infrastructure Provision of Spatial Water-ecological Data on the Ob' River Basin Systems // Bandrova, T., Konecny, M., Zlatanova, S. (Eds.) Thematic Cartography for the Society ISBN 978-3-319-08180-9, Series: Lecture Notes in Geoinformation and Cartography, 2014, XV, 357 p. 131 illus. P. 105-118. ISSN 18632246 ISSN 1863-2351 (electronic) ISBN 978-3-319-08179-3 ISBN 978-3-319-08180-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-319-08180-9 Springer Cham Heidelberg New York Dordrecht London.
6. Krysanova V., Bronstert A., Muller-Wohlfeil D.-R. Modelling river discharge for large drainage basins: from lumped to distributed approach // Hydrological Science J. - 1999. - Vol. 44, No. 2. - P. 313-331.
7. Olivera F., Maidment D. Geographic Information Systems (GIS)-based spatially distributed model for runoff routing/Water Resources Research. - 1999. - Vol. 35, no. 4. - P. 1155-1164.
8. Proceedings of the 5th EC-GIS Workshop. Stresa, Italy, 28-30 June 1999/K.Fullerton, ed. - European Commission, Joint Research Centre, 2000.
9. Vieux B. E. DEM aggregation and smoothing effects on surface runoff modeling // J. Computing in Civil Engineering. - 1993. - Vol. 7, No. 3. - P. 310-338.
10. Vieux B. E. and Needham S. Nonpoint-pollution model sensitivity to grid-cell size // J. Water Resources Planning and Management. - 1993. - Vol. 119, No. 2. - P. 141-157.
© H. H. PomaHoea, E. №. Xym, 2015
