CC BY
121
ПРИМЕНЕНИЕ ДАННЫХ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ДЛЯ ПРОГНОЗА И МОНИТОРИНГА ВЕСЕННЕГО ПОЛОВОДЬЯ НА РЕКЕ ЕСИЛЬ (ИШИМ)
© Литвиненко М.Ю.*, Маховых И.А.*,
Немилостев Н.Д.*, Сартин С.А.*
Северо-Казахстанский государственный университет им. М. Козыбаева, Республика Казахстан, Петропавловск
Данная работа посвящена проблеме весеннего половодья на реке Есиль (Ишим). В статье проанализированы особенности формирования талого стока в рассматриваемом регионе, приведены примеры чрезвычайных ситуаций связанных с паводками, описана аналитическая модель прогноза подъема уровня воды в период весеннего половодья и рассмотрены возможные пути применения данных ДЗЗ для прогноза зон вероятного затопления.
Ключевые слова река Есиль (Ишим), весеннее половодье, высота снежного покрова, талые воды, прогноз, уровень подъема воды, зоны затопления, чрезвычайная ситуация, цифровая модель рельефа, мониторинг.
Чрезвычайные ситуации, связанные с весенними паводками, для Казахстана не редкость. На севере Казахстана, с этой точки зрения, источником повышенной опасности является река Есиль (Ишим) и ее притоки.
Река Есиль (Ишим) берет начало на северной окраине Казахского мел-косопочника в горах Нияз Карагандинской области и впадает в реку Иртыш на территории России. В Акмолинскую область она входит на 62 км от истока и на протяжении 1027 км течет по ее территории, далее пересекает Се-веро-Казахстанскую область. Общая длина реки 2450 км, площадь водосбора 177 000 км2. Площадь бассейна реки в пределах Казахстана 116506 км2 (результаты измерения по снимкам с ик DMC2 с пространственным разрешением 22 м).
Основным районом питания является территория Акмолинской области, где Есиль (Ишим) принимает главные свои притоки: Калкутан и Жабай. В пределах Северо-Казахстанской области впадают притоки Акканбурлык и Иманбурлык. Ниже впадения реки Иманбурлык Есиль (Ишим), выходя на Западно-Сибирскую низменность, вплоть до самых низовьев, не имеет притоков. Значительная доля площади бассейна является недействующей. В летнее время Есиль (Ишим) выше Вячеславского водохранилища пересыхает, ниже - река имеет постоянное течение. Для гидрографической сети рас-
* Магистрант.
* Старший преподаватель кафедры «Физика», кандидат физико-математических наук.
сматриваемой территории характерны малые уклоны рек, наличие на водораздельных пространствах многочисленных замкнутых понижений, бессточных в средние и маловодные годы; в многоводные годы эти понижения переполняются талой водой и участвуют в питании реки. Многолетнее глубокое регулирование стока реки Есиль (Ишим) осуществляется двумя водохранилищами: Вячеславским ^полез =375,4 млн. м3) и Сергеевским (^^полез 635 млн. м ) (рис. 1).
Есиль (Ишим) относится к типу рек с исключительно снеговым питанием, дающим более 80 % годового стока. Режим реки отмечается ярко выраженным весенним половодьем, начало которого обычно приходится на 10-12 апреля, а пик - на третью декаду апреля, и длинной устойчивой меженью [1].
Для нашего региона характерными являются наводнения, вызываемые таянием снега. В результате возникают паводковые воды, резко возрастает уровень воды в реках и озерах, искусственных водоемах.
За последние годы максимальные паводки с наибольшим материальным ущербом были отмечены в 2002, 2007 и 2014 годах.
Паводок 2014 года на территории Северо-Казахстанской области наблюдался выше нормы. Это связано с тем, что большой объем воды поступил в реку Ишим (Есиль) из притоков, расположенных на территории Карагандинской и Акмолинской областей, в связи с чем в регионе наблюдался выход реки Есиль в пойму. Максимальный перелив через гребень плотины Сергеевского водохранилища зарегистрирован 23 апреля на отметке 198 см [2].
Рис. 1. Бассейн реки Есиль (Ишим)
Максимальный подъем уровня воды в районе города Петропавловск зарегистрирован 3 мая (рис. 2).
700 650 600 550 500 450 400 350
Рис. 2. Динамика подъема уровня воды в период половодья 2014 года в районе города Петропавловск
На территории Северного Казахстана из-за подъема уровня воды в реке Есиль произошло 6 случаев подтопления жилых домов. В зоне затопления также оказалось более 5 тысяч дачных участков, расположенных в пойме реки Есиль, в районах городского пляжа, поселка Заречный, речного порта и Кожзавода.
В паводковый период в области зарегистрировано 24 случая перелива через автодороги республиканского и местного значения. Они произошли из-за образования большого объема талых поверхностных вод, сброса воды из Селетинского и Чаглинского водохранилищ, расположенных на территории соседней Акмолинской области, а также подъема уровня воды в реке Есиль (Ишим). В результате этого оказались повреждены и разрушены 2538 метров автодорог, из них в 6 случаях населенные пункты оказались «отрезанными» от внешнего мира [3]. Так, к примеру, 3 апреля на автодороге между селами Каратал и Кулыколь произошел перелив шириной около 400 метров, глубиной 20-30 см. Движение по дороге было закрыто. Вечером того же дня со стороны озера Жалтырь, через дорогу между этими же селами образовался второй перелив шириной 30-40 метров и глубиной 10-15 см. в сторону села Кулыколь [4]. 10 апреля в области было закрыто движение на республиканской автодороге Екатеринбург-Алматы в связи с переливом талых вод через дорожное полотно с 768 по 729 км в районе села Токсан би района им. Г. Му-срепова (на границе с Костанайской областью). Был размыт участок трассы шириной 15 метров и глубиной 2 метра [5].
В ряде населенных пунктов Северо-Казахстанской области в результате паводка были подтоплены переезды и мосты. К примеру, перелив через мост у
села Новоникольск Кызылжарского района на 15 апреля составил 165 см. И к 24 апреля эта цифра выросла уже до 220 см.
В Акмолинской области талые воды так же причинили значительный материальный ущерб. Из-за поступления большого объема талых вод со степной зоны произошло подтопление талой водой поселка Талапкер (под Астаной), в зоне подтопления оказались 20 дворов, 95 человек было эвакуировано. В Астраханском районе в селе Ягодное в зону подтопления попали два дома, уровень воды в домах составлял 15 сантиметров. Население было эвакуировано [4]. Но самая сложная ситуация возникла в городе Атбасар, расположенном на правом берегу реки Жабай (притоке реки Есиль). 7-8 апреля из-за повышения температуры воздуха до 14 градусов тепла на территории Атбасарского и Жаксынского районов произошло резкое формирование талых вод. В результате увеличения поступления талых вод из степной зоны в западную часть города Атбасар, имеющийся водопропускной канал не справился с поступающим потоком, в зоне подтопления оказалось 540 дворов, 344 дома было подтоплено, эвакуировано 256 человек, около тысячи граждан покинули опасные участки самостоятельно. Люди в спешке покидали жилища, не успев взять ни теплых вещей, ни документов. Уже наутро узнали, что погиб весь скот. Уровень воды местами достигал метра. Вторая волна паводка была связана непосредственно с подъемом уровня воды в реке Жабай. На 10 апреля он составил около шести метров, что более чем на 2,5 метра выше критического (3,4 метра) [5]. Город оказался практически под водой.
В связи с подтоплением объездной дороги с 1 апреля для всех видов автотранспорта было закрыто движение на трассе Екатеринбург - Алматы (участок с 1275-го по 1353-й километры) [6].
Данная ситуация объясняется, прежде всего обилием зимних осадков и резким повышением температуры воздуха, которое и привело к практически единовременному таянью снега.
Для изучения снегозапаса в бассейне реки Есиль (Ишим) сотрудниками лаборатории космического мониторинга во второй декаде марта проведены прямые снегомерные съемки в верховьях реки (рис. 3). Данные, полученные в результате снегомерной съемки, легли в основу предварительного прогноза подъема уровня воды на реке Есиль (Ишим) в период половодья 2014 года.
Через равные промежутки производились замеры, вычислялись средние значения высоты и плотность снежного покрова. Наименьшая высота снежного покрова зафиксирована в районе Шал акына - 24 см (село Сергеевка, СКО), наибольшая - в Атбасарском районе - 47,28 см (село Подгорное Акмолинской области). Средние показатели составили 33,55 см, что несколько выше нормы (рис. 4). В силу погодных условий снегомерными съемками не удалось охватить всю территорию бассейна, недостающие данные были восстановлены с помощью официального сайта RP5. По данным этого сайта
высота снежного покрова в районе Атбасара составляла на начало марта -72 см, на конец марта - 43 см. В результате подсчетов средний показатель высоты снежного покрова на конец марта составил 38 см [7].
Рис. 3. Снегомерные съемки в верховьях реки Ишим
50 45 40 35 30 25 20 1510 50
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 пункты замеров
Рис. 4. Показатели высоты снежного покрова по бассейну реки Есиль (Ишим) на конец марта 2014 г.
В сочетании с обильным осенним увлажнением почвы и резким потеплением единовременное таяние такого количества снега привело к острой паводковой ситуации.
Север Казахстана представляет собой равнинную территорию с многочисленными понижениями: котловинами, озерами и т.д. Именно вблизи них располагается большинство населенных пунктов региона и практически ежегодно существует угроза их подтоплений в результате весеннего таяния снега и половодья на реке Есиль (Ишим) и ее притоках. В связи с этим раннее прогнозирование характера прохождения половодья является весьма актуальной задачей.
Сотрудниками Лаборатории Космического Мониторинга (ЛКМ) ведется работа по созданию системы прогноза и мониторинга весеннего половодья на реке Есиль (Ишим). В настоящее время уже разработана аналитическая модель прогноза максимального и среднего уровня подъема в районах гидропостов. Основой модели послужила информация о гидрологических характеристиках реки (Есиль) Ишим и ее притоков (такая как: уровни и расходы воды) получаемая с опорной сети постов Казгидромета. Вычисления проводились по 14 гидропостам, расположенных как на самой реке, так и на ее притоках, за период с 2000 по 2012 годы. Указанный ряд включает в себя как годы с высоким уровнем половодья, так и годы где разлива практически не наблюдалось.
В результате обработки данных с гидрологических постов были рассчитаны следующие величины:
- коэффициент стока;
- коэффициент шероховатости дна;
- среднее время добегания воды от верхнего створа к нижнему в период половодья;
- средняя скорость течения реки в период половодья;
- построены многолетние гидрографы половодья для каждого гидропоста;
- получены графические зависимости между объемом стока и уровнем подъема воды в районе гидропоста.
Главной целью прогнозирования наводнений является заблаговременное определение возможных зон подтопления. Наиболее опасна, с точки зрения затопления, пойма р. Ишим на участках ниже Сергеевки, где в особо опасные годы вода поднимается до 10 м и растекается в местах понижения поймы. Затопление происходит сроком от 25 до 40 дней. Как правило, половодье начинается во II декаде апреля и заканчивается в III декаде мая.
Для определения возможных зон подтопления необходимо знать примерный уровень подъема воды в конкретном пункте. Наиболее наглядно подобные прогнозы могут быть представлены в виде графиков. Для построения прогностических кривых были проанализированы сведенья с гидропостов (объем стока за половодье и уровни подъема воды) и получены графи-
ческие зависимости между объемом стока и уровнем подъема воды (средним и максимальным) в районе гидропоста.
Подобные кривые могут быть использованы для примерного прогноза подъема уровня воды в конкретном пункте. Перед началом снеготаяния по сведеньям о влагозапасе и предполагаемому количеству весенних осадков с учетом вычисленного ранее коэффициента стока необходимо рассчитать объем стока, проходящий в период половодья через исследуемый створ реки, и по графику определить уровень подъема воды соответствующий этому объему стока. Используя полученные зависимости, был сделан прогноз подъема уровня воды вблизи города Петропавловска в период половодья 2013 и 2014 годов.
Для гидропоста в районе города Петропавловск объем стока в 2013 году (по предварительным подсчетам) должен был составить 17 • 108 м3, что по графику соответствует уровню воды от 4,5 до 8 метров. В 2013 году большого половодья на реке не наблюдалось, уровень воды в рассматриваемом районе немного превышал 4 метра (рис. 6).
Для мониторинга весеннего половодья 2013 года в сотрудничестве с компанией ИТЦ Сканекс были приобретены и загружены в Геомиксер радарные снимки бассейна реки Ишим со спутника RADARSAT-2 с пространственным разрешением 5 метров. На радарных снимках местности наиболее хорошо обозначается граница суши и воды, что очень удобно для мониторинга разливов и оценки площадей затопленных территорий. Проведя сравнительный анализ ширины потока по ключевым точкам русла, на основании данных относительно спокойного периода течения реки, было выявлено отсутствие заметного паводка по территории бассейна на момент съемки (рис. 5). Такой вывод хорошо соотносится с полученными статистическими прогнозами.
Для 2014 года объем стока (по предварительным подсчетам) должен был составить около 15,5 • 108 м3, что по графику соответствует уровню воды от 4,5 до 7,5 метров. Паводок 2014 года более подробно рассмотрен выше, здесь же хотелось отметить, что максимальный уровень подъема воды составлял 6,7 метра (рис. 6).
Мониторинг осуществлялся с использованием беспилотного летательного аппарата (БПЛА).
В данной модели прогноза уровня весеннего половодья не заложен учет весенних процессов. Как поведет себя природа предугадать довольно сложно. Даже в сравнительно небольшом ряду наблюдений имеются годы, когда количество осадков и весенняя температура сильно отличалась от средне-многолетних как в большую, так и в меньшую сторону. Очевидно, что резкое потепление будет способствовать бурному массовому снеготаянию и быстрому подъему воды, напротив, «затяжная» весна вызовет большие потери талого стока и отсутствие ярко выраженного пика половодья. В связи с этим точность прогноза снижается.
Рис. 5. Русло реки Ишим в районе города Петропавловск
1200
1100 ■
1000 ■
I 900 ■
| 800 ■
!! 700 -:>
} 600 ■ ч
с: 500 ■ л
« 400 ■ ш
£ 300 ■ 200 -100 -0 ■
1
Рис. 6. Зависимость уровня подъема воды от объема стока вблизи г. Петропавловска
-зависимость максимального уровня
подъема воды от объема стока -зависимость среднего уровня подъема воды от объема стока
—I-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1—
1,3 1,4 1,5 2,5 3,5 4,4 4,5 5,6 7,1 24,3 33 объем стока *108(м3)
38
Как уже отмечалось выше, бассейн рассматриваемой реки представляет собой равнинную территорию с многочисленными озерными понижениями,
котлованами, впадинами и т.д. В малоснежные годы они остаются для реки бессточными, а в годы с высоким уровнем снежного покрова - переполняются талой водой и участвуют в формировании талого стока. При разработке аналитической модели одним из главных вопросов стал метод учета потерь талого стока (коэффициент стока). Для его определения были сопоставлены величины теоретически рассчитанного максимального стока с реальным стоком, измеренным на гидропостах. Полученная величина отражает потери стока связанные с испарением и инфильтрацией в почву, а также потери, связанные с заполнением естественных емкостей бассейна.
Если сравнивать перечисленные факторы, то можно говорить о том, что большая часть талых вод идет именно на заполнение котлованов, впадин, озер и других понижений рельефа. В пользу этой версии говорит и тот факт, что в ряду наблюдений паводков встречаются ситуации, когда при практически идентичных условиях формирования половодья «результаты» кардинально отличаются. Одним из ярких тому примеров стали половодья 2013 и 2014 годов. Условия формирования половодья в указанные годы складывались благоприятно: осеннее увлажнение почвы и снегозапасы были несколько выше нормы. «Казгидромет» предупреждал о паводке, близком к максимальному. Но половодье 2013 года проходило в рамках среднестатистических показателей, а половодье 2014 года стало одним из самых крупных за последние годы. Это объясняется тем, что значительная часть талых вод в первом случае пошла на заполнение естественных емкостей бассейна. В следующем же году эти потери были значительно меньше, что и привело к высокому уровню половодья.
Анализируя подобные сочетания можно получить оценочную величину собственной емкости бассейна. Для этого предполагается обработать и сравнить информацию с гидрологических постов о расходах и уровнях воды в указанные годы. Расчет этой величины будет способствовать увеличению точности прогнозов подъема уровня воды в период весеннего половодья на реке Есиль (Ишим), а так же сделает возможным более широкое применение методов дистанционного зондирования. Снимки, получаемые посредством БПЛА, либо космоснимки помогут оценить степень заполнения емкостей бассейна и сделать соответствующие выводы о предполагаемых потерях стока.
Следующий этап работы - переход от уровня подъема воды к зонам вероятного затопления. Для этого необходимо построить цифровую модель рельефа рассматриваемой территории. Работа в этом направлении ведется с применением аэрофотосъемки.
Идея применения аэрофотосъемки для получения планов речных пойм не нова. Еще в 30-х годах ХХ в голландцы впервые получили подробную карту рельефа затопленного района Вангерооде при разных уровнях воды. Но к настоящему времени число аэрофотосъемок, в классическом понимании, не велико, однако применение современных методов, вместе с использованием небольших беспилотных аппаратов, позволяет получать неплохие результаты [8].
В рамках построения модели прогноза и мониторинга паводковой ситуации на реке Есиль (Ишим) начал применяться беспилотный летательный аппарат для исследования различных участков реки, процесса затопления и оценки опасности для находящихся рядом объектов. В первую очередь изучаются потенциально опасные участки близ населенных пунктов. Такие исследования в перспективе позволят наглядно представить процесс затопления поймы. Знание этого процесса необходимо при решении многих инженерных задач, кроме того, это позволит получать более надежные прогнозы по разливу и обеспечивать комплексное реагирование на угрозу затопления.
Процесс затопления находится в тесной зависимости от типа поймы исследуемого участка, характера руслового процесса и закономерностей освобождения пойменного участка ото льда (в частности процессов очищения ото льда основного русла на значительном протяжении, попадание льда из протоков на пойму и развитие ледохода на пойме). Данные, полученные с БПЛА, позволяют объективно осветить все эти вопросы.
На основании материалов аэрофотосъемок и наблюдений за уровнем воды можно установить основные фазы процесса очищения ото льда всего пойменного участка.
Основным недостатком ЦМР на основе данных спутниковых систем является низкое разрешение, и не самая высокая точность, что не всегда подходит для обработки сравнительно крупных бассейнов. Очевидно, что для обработки малых водосборов и выделения начальных элементов гидрографической сети (логов, оврагов, временных водотоков) необходимо использовать более подробную основу - модели рельефа, построенные путем интерполяции оцифрованных изолиний с топографических карт. Но такой метод не только очень трудоемок, но и практически не возможен из-за возраста таких карт в нашей области. В настоящее время единственная альтернатива - БПЛА.
Для создания статистического базиса модели паводка можно воспользоваться методом последовательных аэрофотосъемок - совокупность площадных аэрофотосъемок исследуемого участка реки с аэрогидрометрическими определениями поля поверхностных скоростей и элементарных расходов воды, выполненными в разные фазы водного режима реки.
Аэрометоды включают:
- последовательные площадные аэрофотосъемки исследуемого пойменного массива или участка при разных уровнях воды;
- аэрогидрометрические определения поля поверхностных скоростей течения на характерных участках;
- последовательные одномаршрутные съемки участков поймы для построения профилей поперечного сечения.
Наземное гидрометрическое обеспечение включает в себя:
- стационарные наблюдения над уровнем воды как минимум по одному водпосту в районе проведения работ для получения многолетних характеристик уровня;
- наблюдения над скоростью и направлением ветра в период про ведения аэрогидрометрических работ на ближайшей метеостанции;
- получение в абсолютных отметках профилей поперечного сечения эталонных участков.
Рассмотрим некоторые характеристики каждого вида работ.
Площадная съемка - съемка участка серией параллельных маршрутов. Она должна обеспечивать необходимую обзорность участка для выявления мест возникновения течений и распространения их по пойме, для обнаружения путей захода воды на пойму при подъеме и выходе воды в русла при понижении уровня.
При исследовании процесса затопления важно получить план поверхностных скоростей течения по всей ширине поймы. Измерениями должны быть охвачены основные зоны пойменного потока - зоны перелива воды через бровки проток, зоны сосредоточенных течений и транзита, зоны тиховодий, вызванных естественными и искусственными преградами, зоны обтекания местных препятствий, зоны аккумуляции воды и др. Исходя из этого, и выбираются участки для измерения скоростей. Для изучения динамики течений необходимо постоянство расположения этих участков на весь период половодья [8].
Применение метода последовательных аэрофотосъемок позволяет получить характеристику процесса затопления поймы при наименьших затратах денежных средств, что важно, учитывая труднодоступность широких пойм.
Рис. 7. Участок русла близ с. Байтерек
На данном этапе исследований проводились запуски БПЛА в нескольких точках. На рисунке 7 показана съемка участка русла близ села Байтерек Кызылжарского района на высоте 336 метров. Зона покрытия составила 4175,81 км, разрешение - 0,07 м/пикс.
На основании полетных данных была построена карта высот на данном участке (рисунок 8).
Рис. 8. Карта высот участка русла близ с. Байтерек
Рис. 9. Участок русла близ с. Новокаменка
На рисунке 9 показана съемка участка русла близ села Новокаменка Кызылжарского района на высоте 342 метров. Зона покрытия составила 4303,23 км, разрешение - 0,074 м/пикс.
На основании полетных данных была построена карта высот на данном участке (рисунок 10).
Рис. 10. Карта высот участка русла близ с. Новокаменка
На основании этих данных видно примерное направление движения воды при ее выходе из русла. Также можно примерно оценить динамику такого движения. Увеличение количества таких данных позволит построить ЦМР для всей поймы.
Однако данные, получаемые с БПЛА, не охватывают один довольно существенный момент паводкового процесса, а именно характеристики непосредственно речного русла. Такие параметры как глубина и шероховатость дна, довольно важны при построении модели. Наилучшим решением является непосредственное измерение на месте. Для этих целей будет использоваться эхолот.
Таким образом, совместное использование данных дистанционного зондирования, наземных измерений основных гидрологических характеристик реки и эхолокации, позволит получить довольно точную и надежную модель развития половодья. Что в свою очередь будет способствовать улучшению качества прогнозов уровня подъема воды и зон возможного затопления в период весеннего половодья на реке Есиль (Ишим).
Список литературы:
1. http://www.resurs.kz.
2. http://newskaz.ru/regions/20140606/6579496.html.
3. http://www.pkzsk.info/v-severnom-kazaxstane-podveli-itogi-proshedshe-go-pavodka-v-regione/.
4. http://inform.kz/rus/article/2647664.
5. http://newskaz.ru/regions/20140410/6352884.html.
6. http://www.kt.kz/rus/incidents/izza_pavodka_v_akmolinskoj_i_karagan-dinskoj_oblastjah_zakriti_uchastki_dorogi_ekaterinburgalmati_1153586656.html.
7. ф5^.
8. Гарцман Б.И., Бугаец А.Н., Тегай Н.Д., Краснопеев С.М. Анализ структуры речных систем и перспективы моделирования гидрологических процессов / Тихоокеанский институт географии ДВО РАН. - Владивосток, 2008.
