CC BY
103
ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ЛОГИСТИКА В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
УДК 627.81
В.М. Красильников, И.С. Соболь
ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»
УТОЧНЕНИЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ВОДОХРАНИЛИЩ НА БАЗЕ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА
Описана технология уточнения морфометрических параметров водохранилищ, основанная на составлении современными средствами цифровых моделей рельефа, апробированная для Горьковского и Рыбинского водохранилища на р. Волге.
Ключевые слова: водохранилища, морфометрические параметры, уточнение, апробированная технология.
Режим работы водохранилищ в России регламентируется документом «Правила использования водных ресурсов водохранилища» для каждого из них [1]. Ключевым пунктом «Правил» являются данные о морфометрии водохранилища. Основные мор-фометрические параметры водохранилища отражаются кривыми зависимости площадей зеркала и объемов от уровней воды [2].
Уже на стадии определения проектных площадей зеркала и соответственно объемов водохранилища по топографическим картам не удается избежать погрешностей. При этом проектные кривые площадей и объемов в значительной степени характеризуют первоначальное строение чаши водохранилища. Но являясь функцией переменной величины — глубины водоема, кривые площадей и объемов динамичны и отражают изменения в строении чаши, которые возникают вследствие переформирования берегов, заиления, тепловой осадки ложа (в криолитозоне).
Морфометрические параметры, в т.ч. кривые площадей зеркала и объемов, следует уточнять, связывая с определенными периодами существования водохранилища. Сравнение первоначальных кривых с последующими дает наглядную информацию об изменении размеров его чаши, предоставляет возможность корректировать отдачу по воде, электроэнергии, экономические показатели работы водохранилища в составе водохозяйственного комплекса [3, 4].
Работы по уточнению морфометрических параметров крупных энергетических водохранилищ России начаты в 2000-е гг. с Волжско-Камского каскада [5]. В статье представлена технология, основанная на составлении современными средствами цифровых моделей рельефа [6], реализованная для Горьковского и Рыбинского водохранилищ.
На Горьковском водохранилище летом 2009 г., совместно с Государственным Океанографическим Институтом (ГОИН), выполнялась батиметрическая съемка рельефа дна с последующей обработкой [7].
Для составления ЦМР использовались материалы подводной съемки, сведения из Атласа единой глубоководной системы европейской части России (том 5, 2004 г.), карты масштабов 1:25000, 1:10000 (1963—1998 гг. выпуска) и данные дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).
Данные промерных работ после первичной обработки в полевых условиях представляются в формате *.txt. Файл данных содержит три характеристики — широта,
долгота, глубина. Для использования этих данных в ГИС-проекте требуется преобразовать их в файл в формате *.shp. Эта процедура осуществляется в программных продуктах Геокалькулятор Photomod и Global Mapper® в несколько этапов. На первом этапе с помощью программного продукта Геокалькулятор Photomod исходная проекция UTM меняется на проекцию Гаусса-Крюгера, СК-42. Второй этап — вычисление абсолютной отметки дна в каждой точке по данным промеров. В атрибутивной таблице указывается глубина в промерных точках h, зафиксированная при уровне воды H, наблюдавшемся в i-й день при проведении промерных работ на i-м участке акватории [8]. Абсолютные отметки дна в промерных точках Z вычисляются как Z = Н. - h.
Расчетная процедура включает определение уровня воды в каждой промерной точке на дату проведения промерных работ методом линейной интерполяции, а затем вычисление абсолютной отметки дна в каждой точке на основе данных промеров и информации об уровне воды. Ежедневные данные об уровнях воды берутся с гидрологических постов (рис. 1). Для линейной интерполяции данных об уровнях воды в рабочем ГИС-проекте строится ось интерполяции в виде shp-файла. Анализ материалов наблюдений показал, что в июле-октябре 2009 г. на акватории водохранилища были зафиксированы значительные колебания уровня воды: в речной части — в пределах 84,0...85,0 м БС, в озерной части — в пределах 83,6...84,1 м БС (при НПУ = 84,0).
Рис. 1. Схема расположения гидрологических постов на Горьковском водохранилище и р. Унжа (красный цвет — посты, данные по которым использованы для анализа)
На завершающем этапе данные промерных работ экспортируются в БИр-файл, который подгружается в рабочий ГИС-проект, где каждой точке присваивается значение координат X, У (широта и долгота). Для увеличения детальности ЦМР информация о подводном рельефе дополнялась сведениями Атласа Единой глубоководной системы.
Базовой топографической основой для построения ЦМР являются Топографические карты масштабов 1:25000 и 1:10000. Для извлечения необходимой картографической информации проводится предварительная привязка цифровых растровых копий и формирование сводной растровой карты района работ, а затем векторизация базовых линейных объектов: береговой линии водохранилища, горизонталей рельефа береговой зоны и отметок высот на суше. Для уточнения современного положения береговой линии в наиболее сложных для промеров участках привлекались данные дистанционного зондирования Земли [9].
Построение итоговой ЦМР осуществляется путем совмещения частных сеток рельефа, последовательно построенных на всю акваторию водохранилища и устьевые участки рек, впадающих в водохранилище. Частные сетки строились интерполяцией методом Сибсона (Natural Neighbor) в программном пакете Golden Surfer® для отдельных участков, включающих в себя четыре соседних промерных галса. Основным свойством данного метода является использование только ближайших точек, окружающих исходную точку. При задаче направления анизотропии на каждом из частных участков обеспечивалось общее направление подводного рельефа вдоль тока воды.
После проведения анализа и уточнения сложных участков созданная ЦМР (рис. 2) подгружается в рабочий проект ArcGIS (табл. 1). Далее проводится расчет морфоме-трических характеристик с использованием модуля 3d Analyst. Инструменты Area and Volume позволяют посчитать площади и объемы между секущей горизонтальной плоскостью (уровень воды) и рельефом территории (ложе водохранилища), тем самым составляется интерполяционная таблица и строятся графики зависимости площадей и объемов от уровня воды (рис. 3).
Табл. 1. Морфометрические характеристики Горьковского водохранилища
Характеристики Проектные значения [4] Уточненные значения (2009 г.)
Нормальный подпорный уровень (НПУ), м БС 84,00 84,00
Уровень мертвого объема (УМО), м БС 81,00 82,00
Длина по судовому ходу, км 430 427
Площадь зеркала при НПУ, км2 1591 (100 %) 1497,56 (94,1 %)
Площадь мелководий (до 2 м) при НПУ, км2/% 396/24,9 343,59/22,9
Наибольшая ширина при НПУ, км — 14,3
Средняя ширина при НПУ, км 3,7 3,51
Наибольшая глубина при НПУ, м — 22,9
Средняя глубина при НПУ, м 5,54 5,74
Длина береговой линии, включая подпертые участки впадающих рек, при НПУ, км — 2963
Полный объем водохранилища при НПУ, млн м3 8820 (100 %) 8588,93 (97,3 %)
Полезный объем водохранилища, млн м3 3900 2588,67
Мертвый объем водохранилища, млн м3 4920 6000,26
Аналогичная технология применялась при уточнении морфометрических характеристик Рыбинского водохранилища.
В 2010 г. из ФГУ «Управление эксплуатации Рыбинского и Шекснинского водохранилищ» были получены материалы съемки подводного рельефа, выполненной Го -сударственным институтом прикладной экологии (ГИПЭ) в 2008 г. При съемке шаг между смежными точками промеров составлял несколько сотен метров, покрытие озерной части водохранилища ограничивалось пятью поперечными сечениями, а суммарное количество точек измерения глубин составило всего 1250. Такие данные не могли образовать основу ЦМР.
В качестве исходного материала для построения ЦМР водохранилища (рис. 4) были привлечены карты масштаба 1:100000, 1:50000 (1976—1985 гг. выпуска), Атлас ЕГС европейской части России (том 2, 2005 г.), данные ДЗЗ и материалы съемки подводного рельефа, выполненной Государственным институтом прикладной экологии (ГИПЭ) в 2008 г.
Основным топографическим материалом, описывающим береговой рельеф, являлись карты масштаба 1:100000, 1:50000, географичеки привязанные в системе координат Гаусса Крюгера. Учитывая пологость приурезовой зоны озерной части водохрани-
лища, для описания береговой линии использовались фрагментированные космические снимки, которые точнее, чем имеющиеся карты отображают сложные участки. Этому способствует малый уклон свободной поверхности воды озерной части с разницей отметок 0,3 м у плотины гидроузла и у г. Череповца (120 км от плотины) в половодье вероятностью превышения 5 %. Береговой линии, полученной по данным ДЗЗ, присваивалась отметка НПУ водохранилища 102 м БС, а береговые линии речных участков интерполировались по отметкам координат свободной поверхности воды [10].
Рис. 2. Цифровая модель рельефа озерной части Горьковского водохранилища и план при-плотинного участка в изогипсах (слева)
10/2012
12
W, км3
Рис. 3. Кривые площадей зеркала (а) и объемов (б) Горьковского водохранилища
Подводный рельеф описывался точечными отметками глубин Атласа ЕГС. Учитывая низкую плотность покрытия точками промеров и данными лоцийных карт, анизо-тропические свойства матрице высот не присваивались.
Далее технология уточнения морфометрических характеристик повторяет технологию примененную на Горьковском водохранилище. Данные ЦМР анализировались инструментами модуля 3d Analyst, составлялись интерполяционные таблицы, строились графики зависимости площадей и объемов от уровня воды (рис. 5), определялись морфометрические показатели (табл. 2).
Табл. 2. Морфометрические характеристики Рыбинского водохранилища
Характеристики Проектные значения [4] Уточненные значения
Нормальный подпорный уровень (НПУ), м БС 102,00 102,00
Уровень мертвого объема (УМО), м БС 97,10 97,10
Длина по судовому ходу р. Шексны, км 329 285
Длина по судовому ходу р. Волги, км 120 113
Площадь зеркала при НПУ, км2 4605 (100 %) 4603 (99,9 %)
Наибольшая ширина при НПУ, км — 72
Наибольшая глубина при НПУ, м — 20,5
Полный объем водохранилища при НПУ, млн м3 26090 (100 %) 29550 (113,3 %)
Полезный объем водохранилища, млн м3 16670 18710
Мертвый объем водохранилища, млн м3 9420 10840
Из полученных результатов (табл. 1, 2; рис. 3, 5) следует:
по Горьковскому водохранилищу уточненная площадь зеркала при НПУ (1497,5 км2) меньше проектной (1591 км2) на 5,9 %, а уточненный полный объем (8588,93 млн м3) меньше проектного (8820 млн. м3) на 2,7 %, что логически следует считать следствием переформирования берегов и заилением чаши водохранилища за период эксплуатации с 1957 по 2009 гг.;
по Рыбинскому водохранилищу уточненная площадь зеркала при НПУ (4603 км2) практически не отличается от проектной (4605 км2), а полный объем при НПУ после уточнения (29,55 км3) получен больше проектного (26,09 км3) на 3,46 км3 (13,3%).
Отм. м БС 150
6500000
642000
6400000
6480000
6460000
6440000
740000 760000 780000 800000 820000 840000 860000 880000
Рис. 4. Цифровая модель рельефа Рыбинского водохранилища (слева — в виде растра высот, справа — в трехмерном виде)
полученное увеличение объемов можно отнести как на неточность исходной информации в проекте водохранилища [10], положенной в основу ЦМР. Для уточнения ЦМР желательно выполнить подробную съемку подводного рельефа.
Описанная технология уточнения морфометрических характеристик положительно апробирована и может быть распространена на другие равнинные водохранилища России.
Замечание. Статья подготовлена в рамках НИР №7.4059.2011 «Эксперементаль-ные и теоретические исследования поведения водохранилищ и плотин гидроузлов на эксплутационной фазе жизненного цикла» по государственному заданию подведомственным Минобрнауки вузам на выполнение научно-исследовательских работ в 2012—2014 гг.
Библиографический список
1. Методические указания по составлению правил использования водных ресурсов водохранилищ гидроузлов электростанций // Министерство топлива и энергетики Российской Федерации РАО «ЕЭС России», 2000.
2. Авакян А.Б., Салтыкин В.П., Шарапов В.А. Водохранилища. М. : Мысль, 1987. 325 с.
3. Положение об осуществлении государственного мониторинга водных объектов // Постановление Правительства РФ № 219 от 10.04.2007.
4. Прогнозное моделирование экологической опасности водных объектов на урбанизированных территориях / C.B. Соболь, И.С. Соболь, Н.П. Сидоров и др. // Приволжский научный журнал. 2009. № 4. С. 158—162.
5. Водохранилища Верхней Волги. Нижний Новгород : ВВБВУ, 2008. 156 с.
6. Использование геоинформационных технологий для оценки современных морфологических характеристик водных объектов / И.В. Землянов, О.В. Горелиц, А.Е. Павловский, Е.Ю. Ши-кунова // Исследование океанов и морей : тр. Государственного океанографического института. М. : ФГУ ГОИН, 2009. № 212. С. 258—269.
7. Соболь И.С., Красильников В.М., Хохлов Д.Н. Современные методы съемки подводного рельефа водохранилищ // Приволжский научный журнал. 2010. № 2. С. 34—40.
8. СП 11-104—97. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Ч. III. Инженерно-гидрографические работы при инженерных изысканиях для строительства / Госстрой России. М. : ПНИИС, 2004. 105 с.
9. Красильников В.М., Тарарин А.М. Верификация гидродинамической модели участка реки Волги, с применением материалов дистанционного зондирования Земли из космоса // Приволжский научный журнал. 2008. № 4. С. 94—98.
10. Основные правила использования водных ресурсов Рыбинского и Горьковского водохранилищ на р. Волге. М. : Минмелиоводхоз РСФСР, 1983. 52 с.
Поступила в редакцию в июле 2012 г.
Об авторах: Красильников Виталий Михайлович — ассистент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), 603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, v_gs@mail.ru;
Соболь Илья Станиславович — кандидат технических наук, доцент кафедры гидротехнических сооружений, ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» (ФГБОУ ВПО «ННГАСУ»), 603950, Россия, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65, sob_gs@mail.ru.
Для цитирования: Красильников В.М., Соболь И.С. Уточнение морфометрических параметров водохранилищ на базе цифровых моделей рельефа // Вестник МГСУ 2012. № 10. С. 272—280.
V.M. Krasil'nikov, I.S. Sobol'
ADJUSTMENT OF MORPHOMETRIC PARAMETERS OF WATER BASINS BASED ON DIGITAL TERRAIN MODELS
The authors argue that effective use of water resources requires accurate morphometric characteristics of water basins. Accurate parameters are needed to analyze their condition, and to assure their appropriate control and operation. Today multiple water basins need their morphometric characteristics to be adjusted and properly stored.
The procedure employed so far is based on plane geometric horizontals depicted onto topographic maps. It is described in the procedural guidelines issued in respect of the «Application of water resource regulations governing the operation of waterworks facilities of power plants». The technology described there is obsolete due to the availability of specialized software. The computer technique is based on a digital terrain model.
The authors provide an overview of the technique implemented at Rybinsk and Gorkiy water basins in this article. Thus, the digital terrain model generated on the basis of the field data is used at Gorkiy water basin, while the model based on maps and charts is applied at Rybinsk water basin.
The authors believe that the software technique can be applied to any other water basin on the basis of the analysis and comparison of morphometric characteristics of the two water basins.
Key words: reservoirs, morphometric parameters, data adjustment, modern technology.
References
1. Metodicheskie ukazaniya po sostavleniyu pravil ispol'zovaniya vodnykh resursov vodokhranil-ishch gidrouzlov elektrostantsiy [Guidelines for the Compilation of Rules Governing the Use of Water Resources of Water Basins of Hydraulic Power Plants]. Ministerstvo topliva i energetiki Rossiyskoy Fed-eratsii RAO «EES Rossii» [Ministry of Fuel and Energy, RAO UES of Russia]. 2000.
2. Avakyan A.B., Saltykin V.P., Sharapov V.A. Vodokhranilishcha [Water Basins]. Moscow, Mysl' Publ., 1987, 325 p.
3. Regulations of State Monitoring of Water Bodies no. 219, issued by the RF Government on 10.04.2007.
4. Sobol' S.V., Sobol' I.S., Sidorov N.P., Krasilnikov V.M., Hokhlov D.N. Prognoznoe modelirovanie ekologicheskoy opasnosti vodnykh ob"ektov na urbanizirovannykh territoriyakh [Predictive Modeling of the Ecological Hazard to Water Bodies in Urban Areas]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2009, no. 4, pp. 158—162.
5. Vodokhranilishcha Verkhney Volgi [Water Basins of Upper Volga]. Nizhniy Novgorod, VVBVU Publ., 2008, 156 p.
6. Zemlyanov I.V., Gorelits O.V., Pavlovskiy A.E., Shikunova E.Yu. Ispol'zovanie geoinformatsion-nykh tekhnologiy dlya otsenki sovremennykh morfologicheskikh kharakteristik vodnykh ob"ektov [Application of the GIS Technology in the Assessment of Morphological Characteristics of Water Bodies]. Research of Oceans and Seas. Works of the State Institute of Oceanography. Moscow, FGU GOIN Publ., 2009, no. 212, pp. 258—269.
7. Sobol' I.S., Krasil'nikov V.M., Khokhlov D.N. Sovremennye metody s"emki podvodnogo rel'efa vodokhranilishch [Modern Methods of Mapping the Underwater Terrain of Water Basins]. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2010, no. 2, pp. 34—40.
8. SP 11-104—97. Inzhenerno-geodezicheskie izyskaniya dlya stroitel'stva. Ch. III. Inzhenerno-gidrograficheskie raboty pri inzhenernykh izyskaniyakh dlya stroitel'stva [Engineering and Topographical Surveys for Construction. Part III. Engineering and Hydrographic Assignments as Part of Engineering Surveys for Construction]. Moscow, PNIIS Publ., 2004, 105 p.
9. Krasil'nikov V.M., Tararin A.M. Verifikatsiya gidrodinamicheskoy modeli uchastka reki Volgi, s primeneniem materialov distantsionnogo zondirovaniya Zemli iz kosmosa [Verification of the Hydrody-namic Model of the Site of the Volga River through Remote Sensing of the Earth from the Space] Privolzhskiy nauchnyy zhurnal [Volga Region Scientific Journal]. 2008, no. 4, pp. 94—98.
10. Osnovnye pravila ispol'zovaniya vodnykh resursov Rybinskogo i Gor'kovskogo vodokhranil-ishch na r. Volge [Basic Rules Governing the Use of Water Resources of Rybinsk and Gorkiy Water Basins of the Volga River]. Moscow, Minmeliovodkhoz RSFSR Publ., 1983, 52 p.
About the authors: Krasil'nikov Vitaliy Mikhaylovich — assistant lecturer, Department of Hydraulic Engineering Structures, Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya st., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; v_gs@ mail.ru;
Sobol' Il'ya Stanislavovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Hydraulic Engineering Structures, Nizhny Novgorod State University of Architecture and
Civil Engineering (NNGASU), 65 Il'inskaya st., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; sob_ gs@mail.ru.
For citation: Krasil'nikov V.M., Sobol' I.S. Utochnenie morfometricheskikh parametrov vodokhranil-ishch na baze tsifrovykh modeley rel'efa [Adjustment of Morphometric Parameters of Water Basins Based on Digital Terrain Models]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 10, pp. 272—280.
