МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПЕРЕУСТРОЙСТВА ЯРУСНЫХ ЛИМАНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Научная статья

Original article

УДК 631.674.2+528.9:004

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_4_215

МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ ПЕРЕУСТРОЙСТВА ЯРУСНЫХ ЛИМАНОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ РЕЛЬЕФА METHODOLOGICAL APPROACHES TO MODELING THE RESTRUCTURE OF TIER ESTUARIES USING A DIGITAL RELIEF MODEL

Ь й МОСКОВСКИЙ

щршномшш ^jimyPHWl

Туктаров Ренат Бариевич, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник отдела оросительных систем и гидротехнических сооружений, заместитель директора по науке, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (413123 Россия, Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, ул. Гагарина, д. 1), тел. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0001 -6063 -3801, tuktarov.rb@gmail.com

Акпасов Антон Павлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, исполняющий обязанности заведующего отделом оросительных систем и гидротехнических сооружений, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (413123 Россия, Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, ул. Гагарина, д. 1), тел. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3252-7849, 1a9@mail.ru

Tuktarov Renat B., candidate of agricultural sciences, leading researcher of department of irrigation systems and hydraulic structures, deputy director of science, Federal State Budgetary Scientific Institution «Volga Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation» (Gagarina st., 1, w. s. Privolzhsky, Engels district, Saratov region 413123 Russia), tel. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6063-3801, tuktarov.rb@gmail.com Akpasov Anton P., candidate of technical sciences, senior researcher, acting head of department of irrigation systems and hydraulic structures, Federal State Budgetary Scientific Institution «Volga Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation» (Gagarina st., 1, w.

s. Privolzhsky, Engels district, Saratov region 413123 Russia), tel. 8(8453) 75-44-20, https://orcid.org/0000-0002-3252-7849, 1a9@mail.ru

Аннотация. Статья посвящена вопросам проведения моделирования переустройства ярусов инженерных систем лиманного орошения, на которых отсутствуют необходимые условия для строгого регламентирования элементов техники затопления из-за большой площади ярусов и наличия сложного рельефа местности. Представлена общая технологическая схема выполнения работ по моделированию реконструкции ярусов инженерных лиманов с разделением их на секции мелкого слоя затопления с использованием геоинформационных технологий. Приведены базовые требования, предъявляемые к размерам, площади секций и глубине слоя их затопления при проектировании реконструкции лиманов в соответствии с положениями научно-обоснованных рекомендаций и требованиями нормативно-методических документов. Разработаны и детально описаны методические приемы по геоинформационному моделированию переустройства лиманов на основе использования цифровой модели рельефа и инструментов ГИС пакета ArcGIS. Апробация разработанной методики проведена на примере яруса II-1, являющегося одним из наиболее репрезентативных лиманов Малоузенской системы лиманного орошения. По результатам моделирования реконструируемый ярус общей площадью 210 га разделен на 5 мелководных секций с площадью от 28,1 до 135,4 га, что при реализации проектных решений позволит снизить

3 3

фактическую оросительную норму с 6735 м /га до 2489-3007 м /га с обеспечением средневзвешенного слоя затопления в секциях равного 25-31 см. При этом за счет переустройства яруса возможно дополнительное введение в орошаемый оборот 109 га прилегающих к лиману земель при условии соблюдения водохозяйственного баланса и экологических требований. Предложенные методические подходы могут быть распространены на другие инженерные лиманы при проведении проектных работ по реконструкции систем лиманного орошения.

Abstract. The article is devoted to the issues of modeling the reconstruction of tiers of engineering systems of estuary irrigation, where there are no necessary conditions for strict regulation of the elements of flooding technology due to the large area of tiers and the presence of complex terrain. The general technological scheme for performing work on modeling the reconstruction of tiers of engineering estuaries with their division into sections of a shallow flood layer using geoinformation technologies is presented. The basic requirements for the size and area of the sections and the depth of the flood layer when designing the reconstruction of

estuaries in accordance with the provisions of scientifically based recommendations and the requirements of regulatory and methodological documents are given. Methodical methods for geoinformation modeling of the reconstruction of estuaries based on the use of a digital elevation model and GIS tools of the ArcGIS package have been developed and described in detail. Approbation of the developed methodology was carried out on the example of layer II-1, which is one of the most representative estuaries of the Malouzenskaya estuary irrigation system. Based on the modeling results, the reconstructed layer with a total area of 210 ha is divided into 5 shallow water sections with an area of 28,1 to 135,4 ha, which, when implementing design

3 3

solutions, will reduce the actual irrigation rate from 6735 m /ha to 2489-3007 m /ha with weighted average layer of flooding in sections equal to 24,7-30,6 cm. At the same time, due to the reorganization of the tier, it is possible to additionally introduce 109 hectares of land adjacent to the estuary into irrigated circulation, provided that the water management balance and environmental requirements are observed. The proposed methodological approaches can be extended to other engineering estuaries when carrying out design work on the reconstruction of estuary irrigation systems.

Ключевые слова: лиманное орошение, ярус, секции, проектирование, переустройство, геоинформационное моделирование, цифровая модель рельефа, площадь затопления, глубина затопления, емкость лимана, норма лиманного орошения

Keywords: estuary irrigation, tier, sections, design, reconstruction, geoinformation modeling, digital elevation model, flood area, flood depth, estuary capacity, estuary irrigation rate

Введение

С экологической и экономической точки зрения основными недостатками современных инженерных лиманов являются значительные размеры, как отдельной системы лиманного орошения, так и ярусов, приводящие к снижению урожаев возделываемых культур и неравномерности затопления, выражающейся в систематическом недоувлажнении и переувлажнении территории яруса.

В таких условиях обеспечение высокой продуктивности земель инженерных систем лиманного орошения возможно только на основе проведения коренной реконструкции, в результате которой будут соблюдены условия для использования ресурсосберегающих норм лиманного орошения и строгого регламентирования элементов техники затопления, достижения оптимальных показателей равномерности заполнения ярусов и снижения высокой ирригационной нагрузки на мелиорируемый агроландшафт.

Основным мероприятием проведения реконструкции систем лиманного орошения должна быть оптимизация наиболее продуктивных ярусов инженерных лиманов, заключающаяся в проектировании и разбиении площади каждого яруса на группу секций мелкого (0,25-0,3 м) слоя затопления. При таком подходе создаются условия для проведения затопления малыми водосберегающими нормами (2000-3000 м /га), равномерного распределения воды по площади и увлажнения почвы [1, 2, 3, 4 и др.]

Целью данной работы является разработка методических приемов по моделированию переустройства инженерных лиманов на основе использования цифровой модели рельефа (ЦМР) и инструментов геоинформационных систем.

Материалы и методы исследований Исследования проводились с применением результатов полевых рекогносцировочных изысканий, выполненных в период 2019-2021 гг., картографических материалов различного масштаба, данных дистанционного зондирования Земли и архивных материалов ранее проведенных научно-исследовательских и проектных работ.

Массив точек (530 шт.), характеризующий ситуацию и рельеф местности объекта исследований и необходимый для построения ЦМР получен в результате проведения крупномасштабной топографической съемки, выполненной методом спутниковых геодезических определений GNSS.

Цифровая модель рельефа объекта исследований, основанная на регулярной сети высот сформирована методом ANUDEM [5, 6] с использованием инструментов многофункционального ГИС пакета ArcGIS 10.8.

Моделирование переустройства яруса системы лиманов проведено в ГИС пакете ArcGIS 10.8 в соответствии с нормами проектирования и научно-обоснованными рекомендациями [1, 2, 3, 4, 7, 8, 9].

Объекты исследований Объектом исследований являлась территория яруса II-1, являющегося одним из наиболее репрезентативных лиманов Малоузенской системы лиманного орошения. По данным многолетних наблюдений данный ярус характеризуется неравномерным распределением воды при его затоплении ввиду сложного рельефа местности, недоувлажнением (более 50 % от площади) и застоем воды в понижениях после ее сброса. Проектные характеристики яруса: площадь составляет 210 га, средняя глубина затопления - 0,3-0,5 м, оросительная норма - 3500 м /га.

Результаты и обсуждение

В обобщенном виде технологическая схема проведения моделирования реконструкции ярусов системы лиманов с использованием геоинформационных технологий (ГИС) представлена на рисунке 1.

1. Подготовка и анализ исходных данных

4. ГИС-моделирование переустройства яруеое системы лиманного орошения

Г >

2. Получение топографической

информации для проведения

моделирования

1

г

3. Построение цифровой модели

рел ьефа

'ч >

Рисунок 1 - Технологическая схема проведения моделирования

На первом этапе проводится подготовка и анализ исходной информации для проведения моделирования переустройства лиманов и формируется общее представление о целесообразности проведения реконструкции ярусов системы лиманов в целом, необходимости проведения переустройства конкретных ярусов и планирования объема выполнения полевых работ. От степени изученности объекта, а также качества первоначальных данных зависит конечный результат процесса моделирования. Рекомендации по выбору источников необходимой информации и ее получения представлены в работе [10].

Основой построения цифровой модели рельефа и дальнейшего проведения переустройства ярусов системы лиманов в среде ГИС является топографическая информация, которую получают в результате проведения второго этапа. Требования к методам, масштабу и точности выполнения топографической съемки изложены в [10, 11].

Третий этап - формирование цифровой модели рельефа реконструируемых ярусов в растровой и векторной формах для последующего переустройства лиманов. Требования к методам, алгоритмам и точности создания ЦМР рассмотрены в [10, 12, 13, 14].

На четвертом этапе осуществляется анализ основных параметров затопления реконструируемых лиманов, включающий определение площади зеркала, глубин и емкости яруса, норм лиманного орошения, описанной в методике [10] и непосредственно проводятся работы моделированию и проектированию переустройства ярусов систем лиманного орошения.

Моделирование реконструкции ярусов заключается в разбиении площади каждого реконструируемого яруса на группу секций мелководного затопления и проводится в соответствии с положениями научно-обоснованных рекомендаций и требованиями нормативно-методических документов, регламентирующих порядок проектирования лиманного орошения. К базовым требованиям и рекомендациям можно отнести следующее:

1. При мелководном затоплении секций яруса должен удерживаться объем воды, соответствующий норме лиманного орошения и достаточный для увлажнения 1,5-2 метрового слоя почвы, что обеспечивается при среднем слое воды в 25-35 см [1, 7, 8].

2. Рекомендуемый слой воды у верхней дамбы должен быть не менее 5 см [7, 8], но и не превышать 15 см [8]. В качестве базовых значений горизонта воды у нижней дамбы в зависимости от нормы лиманного орошения принимают: 40 см при норме 2500 м /га; 45

3 3

см при норме 3000 м /га и 50 см при норме 3500 м /га [8].

3. Ширина яруса (секции) должна находиться в пределах 100-600 м и во всех случаях, во избежание затруднения механизации сельскохозяйственных работ, не должна быть менее 100 м [8].

4. Оптимальный размер яруса (секции) должен составлять 50-100 га [1, 2, 3, 4, 9 и др.].

Исходя из вышеуказанных правил осуществляют проектирование мелководных секций реконструируемого яруса и рассчитывают основные параметры их затопления (площадь и глубина затопления, емкость секции, норма лиманного орошения) средствами ГИС-технологий.

Порядок выполнения действий по геоинформационному моделированию переустройства лиманов рассмотрим на примере использования инструментов ГИС-приложения Arcmap 10.8, входящего в программный комплекс ArcGIS. 1. Для обеспечения требуемой точности проектирования размеров, рекомендуемого слоя затопления и других параметров секций, необходимо проведение перегруппировки значений исходной растровой ЦМР в классы с интервалом 5 см и построение векторной цифровой модели рельефа с шагом горизонталей 0,05 м.

Инструмент перегруппировки значений растровой ЦМР доступен в диалоговом окне набора данных «Свойства - Символы - Классифицировать», а построение векторной цифровой модели рельефа с заданным шагом проводится с использованием инструментов модуля Spatial Analyst «Поверхность - Изолинии».

2. Следующим действием является определение среднего значения минимальной высотной отметки поверхности реконструируемого яруса у нижней дамбы, которое будет являться точкой отсчета для проектирования всей группы секций мелководного затопления.

Определение среднего значения минимальной высотной отметки можно произвести визуально с использованием инструмента «Идентифицировать», расположенного на панели «Инструменты» главного меню программы Лгешар 10.8, так и полуавтоматическим способом, вырезав часть растровой ЦМР узким полигональным объектом, построенным вдоль нижнего вала реконструируемого яруса, по методу, описанному в работе [10]. В получившей ЦМР через анализ статистики определяют искомое среднее значение.

3. Руководствуясь вышеуказанными требованиями по проектированию мелководных лиманов определяют отметку высоты горизонтали, соответствующую НПУ зеркала затопления первой моделируемой секции лимана.

Пример. По результатам статистического анализа значений высотных отметок средняя минимальная отметка у нижнего вала 11-1 яруса Малоузенской системы лиманного орошения составила 31,45 м (условная отметка). Таким образом исходя из ресурсосберегающей нормы лиманного орошения, равной 2500 м /га, расчетный уровень горизонта воды у нижней дамбы будет равен 31,45 м + 0,40 м = 31,85 м, что соответствует отметке НПУ зеркала затопления первой секции.

4. Исходя из правила, устанавливающего уровень горизонта воды у верхней дамбы, рассчитывают горизонталь местности и проектируют расположение верхнего вала первой секции на плане. Для этого от отметки высоты горизонтали НПУ зеркала затопления первой секции вычитают значение уровня горизонта воды у верхней дамбы (15 см). По отметке высоты получившейся горизонтали планируют размещение верхнего вала первой секции. Конец водоудерживающей дамбы доводят до отметки НПУ зеркала воды.

Пример. Высотная отметка НПУ зеркала затопления первой секции 11-1 яруса Малоузенской системы лиманного орошения составляет 31,85 м. Соответственно расчетное значение отметки горизонтали местности, вдоль которой проектируется расположение верхней дамбы, будет равно 31,85 м - 0,15 м = 31,70 м. Таким образом первая секция лимана будет размещена между горизонталями 31,45 м и 31,70 м (рисунок 2).

Рисунок 2 - Схема размещения первой секции яруса П-1 Малоузенской системы

лиманного орошения

5. После проведения моделирования первой секции реконструируемого яруса определяют площадь, диапазон глубин, среднюю глубину, емкость секции и норму лиманного орошения руководствуясь алгоритмом действий, описанным в работе [10]. Расчет минимальной и максимальной ширины секции осуществляют с помощью инструмента «Измерить» программы Arcmap 10.8.

При существенных расхождениях между полученными результатами и нормативами проектирования вносят исправления в исходные данные и проводят повторное моделирование устройства секции лимана.

Пример. По результатам моделирования первой секции яруса II-1 Малоузенской системы лиманного орошения получены следующие количественные характеристики:

— площадь секции составляет 965471 м ;

— ширина секции находится в пределах от 245 м до 760 м;

— емкость секции при проектном затоплении составляет 290465,5 м ;

— глубина слоя затопления варьирует от 0 до 61 см, в том числе слоем воды от 10 см до 30 см будет покрыто 49,1 % (47,4 га) площади секции; от 30 до 50 см - 48,0 % или 46,3 га, от 50 до 61 см - 2,5 % или 2,4 га. Площадь участков с минимальным затоплением (до 10 см) составит 0,4 га или 0,4 %. Средневзвешенная величина глубины затопления секции лимана - 31 см.

— расчетная норма лиманного орошения (брутто) - 3007 м /га.

7. Таким же способом проводят проектирование остальных секций реконструируемого яруса, исходя из условий рационального использования весеннего стока и особенностей почвенного покрова и рельефа местности. Кроме того, осуществляют реализацию проектных решений по размещению водовыпусков в каналах и валах, других инженерных сооружений в соответствии с требованиями и рекомендациями нормативно-методических документов, регламентирующих порядок проектирования лиманного орошения.

Результат реализации разработанной методики моделирования реконструкции ярусов системы лиманов с использованием геоинформационных технологий на примере яруса II-

1 Малоузенской системы лиманного орошения представлен на рисунке 3.

Проведенные расчеты показали, что разделение яруса общей площадью 210 га на 5 мелководных секций с площадью от 28,1 до 135,4 га позволит понизить фактическую

3 3 и и

оросительную норму с 6735 м /га до 2489-3007 м /га. Средневзвешенный слой затопления в секциях составит 25-31 см. При этом за счет переустройства яруса можно дополнительно ввести в орошаемый оборот 109 га прилегающих к лиману земель при условии соблюдения водохозяйственного баланса и экологических требований.

Заключение

Успешное решение инженерных задач в области строительства и реконструкции систем лиманного орошения должно основываться на совместном использовании как традиционных методов исследования, так и применении современных методов цифрового моделирования рельефа местности и геоинформационных систем.

Реализация на практике результатов, полученных в ходе выполнения исследований позволит создать условия для использования на Малоузенской системе лиманного орошения ресурсосберегающих норм затопления, повысить эффективность использования водных ресурсов при производстве сельскохозяйственной продукции на фоне снижения инфильтрационных потерь; достичь оптимальных показателей равномерности затопления (>0,70) и увеличить продуктивность сенокосов до 4,0-4,5 т/га.

Предложенные методические подходы могут быть распространены на другие инженерные лиманы при проведении проектных работ по реконструкции систем лиманного орошения.

Список источников

1. Шумаков Б. Б. Гидромелиоративные основы лиманного орошения / Б. Б. Шумаков. -Л.: Гидрометеоиздат, 1979. - 214 с.

2. Кружилин И. П. Лиманное орошение - состояние, проблемы и решения // Использование земель лиманного орошения в современных условиях. Волгоград, 2000. С. 3-13.

3. Мамин В. Ф. Мелиорация природных луговых лиманов Прикаспийской низменности. М.: Россельхозиздат, 1985. 26 с.

4. Туктаров Б. И. Лиманное орошение в Заволжье. Саратов: Изд-во СГАУ, 1998. 316 с.

5. Hutchinson M. F. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits // Journal of Hydrology. 1989. Vol. 106, issue 3-4. P. 211232.

6. Hutchinson M. F., Xu T., Stein J. Recent Progress in the ANUDEM Elevation Gridding Procedure // Geomorphometry. Redlands, 2011. P. 19-22.

7. СП 421.1325800.2018 Мелиоративные системы и сооружения. Правила эксплуатации. М: Стандартинформ, 2019. 83 с.

8. Инструкция по проектированию лиманного орошения: ВСН-П-24-75. Введ. 1974-1120. М: ВНИИГиМ, 1975. 97 с.

9. Тарасенко П. В. Система влагосберегающих почвозащитных мелиораций в Среднем Поволжье и Центральном Черноземье: автореф. дис. ... д-ра с.-х. наук / Тарасенко Петр Владимирович. Саратов, 2014. 41 с.

10. Туктаров Р.Б., Акпасов А.П. Анализ основных параметров затопления ярусных лиманов с использованием цифровой модели рельефа// Международный журнал прикладных наук и технологий «Integral» №1/2022.

11. СП 47.13330.2016 Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. Введ. 2017-07-01. М: Стандартинформ, 2018. 50 с.

12. Павлова А. И., Павлов А. В. Анализ методов коррекции цифровых моделей рельефа, построенных по спутниковым данным // АВТОМЕТРИЯ. 2018. Т. 54. № 5. С. 25-32.

13. Оньков И. В. Оценка точности ЦМР, созданных по стереопарам триплета КА TH-1 в программном комплексе ENVI // Геоматика. 2014. № 3. С. 22-27.

14. Кузин А. А., Ковшов С. В., Орлов Ф. А. Технология оценки точности и достоверности цифровых моделей рельефа оползнеопасных склонов по данным воздушного лазерного сканирования // Научные исследования. 2017. № 1 (12). С. 10-13.

References

1. SHumakov B. B. Gidromeliorativnye osnovy limannogo orosheniya / B. B. SHumakov. -L.: Gidrometeoizdat, 1979. - 214 s.

2. Kruzhilin I. P. Limannoe oroshenie - sostoyanie, problemy i resheniya // Ispol'zovanie zemel' limannogo orosheniya v sovremennyh usloviyah. Volgograd, 2000. S. 3-13.

3. Mamin V. F. Melioraciya prirodnyh lugovyh limanov Prikaspijskoj nizmennosti. M.: Rossel'hozizdat, 1985. 26 s.

4. Tuktarov B. I. Limannoe oroshenie v Zavolzh'e. Saratov: Izd-vo SGAU, 1998. 316 s.

5. Hutchinson M. F. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits // Journal of Hydrology. 1989. Vol. 106, issue 3-4. P. 211232.

6. Hutchinson M. F., Xu T., Stein J. Recent Progress in the ANUDEM Elevation Gridding Procedure // Geomorphometry. Redlands, 2011. P. 19-22.

7. SP 421.1325800.2018 Meliorativnye sistemy i sooruzheniya. Pravila ekspluatacii. M: Standartinform, 2019. 83 s.

8. Instrukciya po proektirovaniyu limannogo orosheniya: VSN-II-24-75. Vved. 1974-11-20. M: VNIIGiM, 1975. 97 s.

9. Tarasenko P. V. Sistema vlagosberegayushchih pochvozashchitnyh melioracij v Srednem Povolzh'e i Central'nom CHernozem'e: avtoref. dis. ... d-ra s.-h. nauk / Tarasenko Petr Vladimirovich. Saratov, 2014. 41 s.

10. Tuktarov R.B., Akpasov A.P. Analiz osnovnyh parametrov zatopleniya yarusnyh limanov s ispol'zovaniem cifrovoj modeli rel'efa// Mezhdunarodnyj zhurnal prikladnyh nauk i tekhnologij «Integral» №1/2022.

11. SP 47.13330.2016 Inzhenernye izyskaniya dlya stroitel'stva. Osnovnye polozheniya. Vved. 2017-07-01. M: Standartinform, 2018. 50 s.

12. Pavlova A. I., Pavlov A. V. Analiz metodov korrekcii cifrovyh modelej rel'efa, postroennyh po sputnikovym dannym // AVTOMETRIYA. 2018. T. 54. № 5. S. 25-32.

13. On'kov I. V. Ocenka tochnosti CMR, sozdannyh po stereoparam tripleta KA TH-1 v programmnom komplekse ENVI // Geomatika. 2014. № 3. S. 22-27.

14. Kuzin A. A., Kovshov S. V., Orlov F. A. Tekhnologiya ocenki tochnosti i dostovernosti cifrovyh modelej rel'efa opolzneopasnyh sklonov po dannym vozdushnogo lazernogo skanirovaniya // Nauchnye issledovaniya. 2017. № 1 (12). S. 10-13.

Для цитирования: Туктаров Р.Б., Акпасов А.П. Методические подходы к моделированию переустройства ярусных лиманов с использованием цифровой модели рельефа // Московский экономический журнал. 2022. № 4. URL: https://qje.su/nauki-o-zemle/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-4-2022-17/

О Туктаров Р.Б., Акпасов А.П. 2022 Международный экономический журнал №4/2022.