Геоинформационное обеспечение решений некоторых задач оценки экологического состояния системы «Водосбор - водоем»

УДК 528.9:004 И.Е. Курбатова

Институт водных проблем РАН, Москва

ГЕОИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕШЕНИЙ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ «ВОДОСБОР -ВОДОЕМ»

I.E. Kurbatova

Russian Academy of Sciences, Water Problem Institute 3, Gubkin str., Moscow, 119333, Russia

GEO-INFORMATIONAL PROVIDING SOME PROBLEM DECISIONS OF ECOLOGICAL CONDITION ASSESSMENT FOR THE «WATERSHED -RESERVOIR» SYSTEM

The structure of GIS cartographical block for river basin has been described. Communicatory potentialities of remote sensing data and the most effective directions of their application have been appreciated. The series of basic and thematic maps has been charted for transboundary basin of the Hanka Lake. Ecological condition assessment for its particular catchments has been carried out.

К наиболее значимым природным ресурсам относятся пресные воды, которые не только представляют собой самостоятельную ценность для государства как важнейший источник жизнеобеспечения, но и являются чувствительным индикатором оценки благополучия всей окружающей среды. В последние годы все большее распространение находит бассейновая концепция природопользования, позволяющая рассмотреть систему «водосбор - река - приемный водоем» как единое целое, поскольку экологическое состояние вод напрямую зависит от явлений и процессов, происходящих на водосборе. Именно бассейн как геосистема должен служить ячейкой моделирования гидрологических процессов, водохозяйственного и водоохранного районирования. В модели оптимального управления природными ресурсами концептуальная роль также должна принадлежать речному бассейну как естественной единице природохозяйственного управления, что позволит оптимизировать задачи организации и контроля природопользования. Четкая иерархическая структура бассейнов определяет соподчиненность и последовательность принятия решений на разных управленческих уровнях (федеральном, республиканском, областном, местном административном). Для каждой единицы крупности может быть сформулирован свой круг задач и выделены конкретные проблемные блоки. Компьютерные системы поддержки принятия водохозяйственных решений разрабатываются на основе комплекса взаимосвязанных моделей, позволяющих отслеживать изменения природного и хозяйственного характера, включая показатели состояния водных ресурсов. Особое место среди программного обеспечения математических моделей водопользования

занимают геоинформационные системы (ГИС), которые обеспечивают систематизацию сбора, хранения и преобразования информации для получения новых данных и знаний о пространственно-временных явлениях и процессах в речных геосистемах. Наиболее часто встречаются ГИС водных ресурсов края или административной области. Комплексные ГИС экологического состояния единой системы «водосбор - водоток - приемный водоем» пока единичны. В данной работе рассматривается структура картографического блока ГИС и оцениваются реальные возможности использования данных дистанционного зондирования в качестве источника информации при составлении карт различной тематики и назначения.

Основными задачами ГИС речного бассейна являются: 1) информационно-справочное обеспечение потребителей; 2) анализ взаимосвязей системы «водосбор - водоем»; 3) моделирование и прогнозирование последствий природных и антропогенных воздействий на экологическое состояние бассейна и приемного водоема. База геоданных должна содержать разностороннюю и достоверную информацию для решения современных водохозяйственных и природоохранных задач -картографическую, спутниковую, атрибутивную, текстовую. В последние годы особенно сильно ощущается недостаток фактологической базы -регулярных гидрологических, гидрохимических наблюдений на стационарных пунктах и передвижных постах (речных, морских, устьевых, береговых, пойменных), результатов сезонных полевых обследований. В этих условиях возрастает роль аэро- и космической информации. Интеграция картографии, дистанционного зондирования и геоинформатики открывает новые возможности в применении этого метода, причем именно системные географо-картографические принципы познания окружающей среды способны гарантировать надежность принимаемых решений и составляют концептуальную основу ГИС.

На начальном этапе базовые карты служат для привязки и интерпретации материалов космической съемки (КС). По результатам дешифрирования составляются тематические карты на район исследований, отображающие современное состояние изучаемых водных и водохозяйственных объектов, специфику их развития, остроту экологической обстановки, экстремальные ситуации и пр. Совместный анализ фондовых космических изображений (за последние 30-40 лет) и архивных картографических материалов (за 40-100 лет) позволит оценить интенсивность происходящих изменений как на водосборе в целом, так и на отдельном объекте - например, водохранилище, созданном в середине XX века. Такой подход поможет составить наиболее вероятные варианты прогноза развития изучаемых процессов, к примеру, смену сукцессионных рядов растительности в прибрежной заболачиваемой зоне водохранилища.

Использование материалов космической съемки наиболее эффективно при исследованиях по следующим направлениям:

Инвентаризации и оценки состояния водных объектов суши (гидрографической сети, береговых зон и акваторий озер и водохранилищ);

- Слежения за динамикой береговых зон морей (приемных водоемов), обусловленной природными и антропогенными факторами, в том числе приводящими к экстремальным ситуациям или вызывающими стихийные бедствия;

- Определения размеров и конфигураций областей смешения речных и морских вод как распресненных участков морских акваторий с повышенными мутностью и загрязненностью;

- Изучения циркуляции прибрежных вод как фактора переноса загрязняющих веществ;

- Установления структуры, характера землепользования и степени антропизации речных водосборов (определения типов поселений и застроенности территории, развитости транспортной сети, наличия крупных промышленных зон, мест добычи полезных ископаемых, интенсивности сельскохозяйственного освоения, орошаемых территорий, залесенности, заболоченности и пр.).

Современная съемочная аппаратура, устанавливаемая на ИСЗ, позволяет получать фотоизображения земной поверхности с высокой степенью пространственного разрешения (от 1-2 до 10-15 м) в различных диапазонах спектра (с большими и средними временными интервалами) и цифровые сканерные изображения среднего разрешения, получаемые практически в реальном масштабе времени. Большое распространение в последние годы получила высокоинформативная всепогодная радиолокационная съемка. Постоянное совершенствование технических характеристик аппаратуры, приводящее к увеличению пространственного разрешения, делают этот вид съемки весьма перспективным.

Для решения задач каждой конкретной тематики целесообразно использовать различные типы КС. Так, при изучении быстропротекающих процессов, охватывающих значительные площади акватории, в том числе определяющих динамику береговой линии морей, больших озер и водохранилищ при изменении их уровня, штормовых нагонах, половодьях и паводках крупных рек, целесообразно использовать материалы спектрозональной сканерной и радиолокационной КС с разрешением 30-100 м, получаемые в реальном масштабе времени. Детальная инвентаризация водных объектов для их классификации и составления кадастра, изучение медленно развивающихся процессов на водосборе требуют привлечения крупномасштабных фотографических изображений с разрешением на местности от 2 до 20 м.

Вместе с тем следует отметить, что, используя только материалы КС, невозможно достоверно определить качественный состав водных масс, речных взвесей, получить количественные оценки загрязняющих веществ. Можно лишь косвенно судить (выявив местоположение точечных или площадных источников загрязнения - промышленных, сельскохозяйственных и др. объектов) о наличии в сточных водах загрязняющих веществ, присущих тому или иному виду производства. Для установления достоверной

зависимости между дистанционно регистрируемой яркостью водной поверхности (или водного столба) и количественными характеристиками основных оптически активных компонентов (взвешенных и растворенных минеральных веществ, фитопланктона и пр.) необходимо проведение ряда синхронных подспутниковых экспериментов на наземных полигонах, морских судах, морских гидрологических разрезах. Полученные сведения могут быть с высокой степенью достоверности интерпретированы и для остальных участков.

Таким образом, основным источником пространственных данных для ГИС являются карты, составленные с использованием КС, а одним из универсальных методов исследования, позволяющим в определенной мере восполнить дефицит данных натурных наблюдений и обеспечить новые подходы к их интерпретации, является картографический метод, представляющий строгую систему научно-технических приемов анализа картографических изображений и создания новых типов карт. Использование картографического метода позволяет с достаточной глубиной раскрыть сущность и динамику связей между водно-ресурс-ными, экономическими и экологическими подсистемами, что способствует разработке программ комплексного использования и охраны водных ресурсов.

Разработка бассейновой модели управления природными ресурсами требует особого картографического обеспечения исследований. Проблема создания таких карт необычайно сложна, большое внимание должно уделяться созданию комплексных и синтетических карт на базе карт традиционной тематики, а также разработке карт нового типа, позволяющих представить систему «водосбор-водоток-водоем» как единое целое. Тематическая программа карт должна состоять из двух разделов, характеризующих как влияние водохозяйственных объектов на окружающую среду, так и влияние окружающей среды на состояние и качество водных объектов.

Картографическая база данных должна иметь в основе цифровую топографическую карту необходимого исходного уровня (масштаба), и специализированную топографическую карту гидроэкологического назначения, дополненную тематическими, справочными данными о водных объектах и их характеристиках, их генетических, морфологических, динамических особенностях.

Информационно-справочный раздел блока ГИС включает карты, характеризующие:

а) Общие физико-географические особенности бассейна - его строение, ландшафт, почвы, растительность, гидрологическую изученность, характеристики поверхностных вод и их потенциала;

б) Социально-экономические - административно-территориальное деление, населенные пункты и плотность населения, транспортную сеть, гидротехнические сооружения и т.д.

Аналитический раздел блока раскрывает взаимосвязи системы «водосбор-водоем» с помощью карт, характеризующих:

а) Природный потенциал территории, сезонную и многолетнюю динамику природной среды водосбора, водотоков и приемных водоемов (гидрологические и морфометрические изменения); экологический каркас водосбора (природоохранные объекты, заказники и заповедники, водоохранные зоны пойменных и прибрежных территорий;

б) Антропогенные воздействия на природу водосбора (площадные и точечные) и характеристики водотоков: использования земель с дальнейшим более детальным рассмотрением конкретных для данного бассейна видов деятельности (сельское, лесное, коммунальное хозяйство, промышленность, рекреация и т. д.); использование водных ресурсов (водопотребление, водопользование, гидротехнические сооружения); демографическое давление; загрязнение водосбора (в целом, по компонентам, аварийное загрязнение);

в) Изменения наземных экосистем, обусловленных влиянием водохозяйственных комплексов на природу водосбора (затопление, подтопление, заболачивание, засоление, размыв берегов, трансформация фаций, урочищ водосбора; нарушение растительного покрова, изменение биоразнообразия экотонов, изменчивость пойменных экосистем и т. д.);

Раздел моделирования и прогнозирования последствий природных и антропогенных воздействий на экологическое состояние бассейна и приемного водоема включает группу карт, отражающих возможные последствия различных изменений интенсивности и характера хозяйственного воздействия на природу водосбора и водотоков:

а) Сценарии гидроэкологических ситуаций с различной степенью неблагополучия природных вод, концентрирующих оценку влияния природно

- антропогенных факторов, отражающих как гидрологическую, так и общую экологическую безопасность территории водосбора в целом;

б) Опасные, кризисные и чрезвычайные ситуации в ряду «риск - кризис

- бедствие» (наводнения при половодьях, паводках, заторах, зажорах, особые ледовые и наледные явления и др.); лавинная и селевая опасность; геолого-геоморфологические опасности (оползни, обвалы, карстовые и термокарстовые провалы и др.);

в) Прогноз состояния и динамики наземных экосистем при изменении воздействий водного фактора, отражающий возможную трансформацию почвенно-растительного покрова прибрежных зон как важного критерия влияния водного режима на состояние экосистем суши.

Следует отметить, что для водосборов с разными видами и интенсивностью хозяйственной деятельности набор тематических карт определяется спецификой ландшафтов водосбора, разной степенью их развития, устойчивостью к антропогенным воздействиям, остротой экологической обстановки, вероятностью возникновения экстремальных ситуаций.

Предложенная концепция картографического обеспечения будет способствовать накоплению научных знаний об экологических связях водных объектов с окружающей средой, их взаимодействиях и взаимовлияниях (в исторический период, на современном этапе развития, в прогнозируемом будущем), поможет определиться с поиском критериев, ограничивающих регулирование речного стока по экологическим показателям, обеспечит научную базу для принятия экологически обоснованных решений для перехода к оптимальному хозяйственному использованию водных ресурсов и сохранению природного потенциала.

В порядке практической реализации теоретических исследований разработана серия тематических электронных карт (в программном пакете Corel DRAW 11), отражающая комплексные характеристики трансграничного бассейна озера Ханка. Базовыми картами (масштаба 1 : 1 ООО ООО) являются:

- «Строение водосбора озера Ханка», на которой показана гидрографическая сеть и границы частных водосборов рек, впадающих в озеро, как со стороны РФ, так и КНР;

- «Ландшафтная карта», на которой представлены основные виды ландшафтов межгорных и предгорных равнин, гор и низкогорий бассейна.

- «Опасность наводнений», где показаны области затопления, участки разливов рек, приведены таблицы с характеристиками крупных наводнений 1914-2005 гг.

В качестве примера аналитических карт можно привести следующие карты:

- «Интенсивность использования земель», на которой отображено антропогенное воздействие на территорию всего бассейна. Выделены: ненарушенные земли (леса, луга, заповедники, болота); земли с минимальным антропогенным воздействием (пастбища, сенокосы); земли с умеренным антропогенным воздействием (поселки сельского типа, огороды); земли с сильным антропогенным воздействием (пашни, рисовые чеки, вырубки, поселки городского типа); земли с интенсивным антропогенным воздействием (центры добычи полезных ископаемых, промышленные центры, пути сообщения и т. д.).

- «Эколого-географическая карта бассейна озера Ханка», на которой показаны результаты ранжирования территории частных водосборов бассейна озера по степени нарушенности природных ландшафтов - всего 5 категорий (ненарушенные, слабо нарушенные, умеренно нарушенные, сильно и максимально нарушенные).

Значимость экологического состояния водосбора для оценки состояния приемного водоема определяется суммой характеристик, отражающих его физико-географические, социально-политические и экономико-хозяйственные особенности. Наши расчеты показали, что наиболее

благоприятная экологическая ситуация складывается на водосборе р. Комиссаровка (5 баллов), соответствующая слабой степени нарушенности. Водосборы трех рек - Усачи, Мельгуновка и Спасовка, а также области местного стока можно отнести к категории территорий средней степени нарушенности (11-12 баллов). Наиболее сложная ситуация складывается на водосборах р. Илистая и рек КНР (соответственно 17 и 14 баллов), степень нарушенности ландшафтов которых оценивается выше средней и приближается к сильной. Полученные результаты можно использовать при выявлении наиболее экологически неблагоприятных участков береговой зоны озера и его акватории, при разработке и реализации совместных российско-китайских программ рационального природопользования и планирования мероприятий по охране водных ресурсов озера.

© И.Е. Курбатова, 2009