Построение прогнозной модели зоны затопления пос. Кизнер средствами ГИС-технологий

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. 1

Использование ГИС-технологий в науках о Земле

УДК 528.946/504.453

Ю.И. Денисова, А.А. Перевощиков

ПОСТРОЕНИЕ ПРОГНОЗНОЙ МОДЕЛИ ЗОНЫ ЗАТОПЛЕНИЯ ПОС. КИЗНЕР СРЕДСТВАМИ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

На примере пос. Кизнер представлена прогнозная модель зоны затопления земель поселения в условиях экстремальных паводков и половодий, построенная на основе ГИС-технологий.

Ключевые слова: зона затопления, прогнозная модель, ГИС-технологии.

Наводнения доставляют проблемы человеческому обществу с древнейших времен, но если раньше они происходили достаточно редко или воспринимались как обычное явление, то в наше время их частота и размеры причиняемого ущерба стремительно возрастают. Следовательно, остро встает потребность в их своевременном прогнозировании, направленном на сокращение наносимого ими ущерба.

Одной из самых сложных проблем гидрологии, связанных с изучением наводнений, является прогноз максимально возможных величин поднятия уровня и площади затопляемых земель. Действительно, от того насколько правильно будет определен возможный максимальный расход (уровень) воды, зависит масштаб последствий [1]. Притом, что размер ущерба находится в обратной зависимости от процентной обеспеченности паводка. При определении экономической эффективности регулирования паводкового стока за предельную расчетную площадь принимают ту территорию, которая затапливается паводком 1%-й обеспеченности. Однако не меньший интерес представляет анализ вероятных последствий и ущерба при прохождении половодий 5%, 10% и 25%-й обеспеченности.

Использование современных методов пространственного анализа на базе ГИС-технологий позволяет решать задачи накопления, хранения, обновления и анализа любой пространственно-временной информации, в том числе гидрологической, гидрогеологической и инженерно-геологической. Обладая способностью обрабатывать такую информацию, новейшие пространственноинформационные ГИС позволяют строить прогнозные модели, создавать сценарии возможных ситуаций для быстрого и научно обоснованного принятия управленческих решений.

Моделирование зон затопления посредством геоинформационных технологий может позволить административным органам и подразделениям, занимающимся прогнозом чрезвычайных ситуаций и ликвидацией их последствий, выполнять следующие задачи [2]:

- создавать банки цифровой пространственной информации на районы, наиболее подверженные природным и техногенным воздействиям; применять их для моделирования, прогноза и оповещения населения о возможных последствиях ЧС;

- создавать банки цифровой пространственной информации на отдельные участки местности, на которых расположены наиболее опасные с точки зрения ЧС объекты (плотины, газонефтехранилища, химические предприятия).

Оперативность в принятии управленческих решений в экстремальных ситуациях, что нам дают современные ГИС-технологии, очень важна как для служб по чрезвычайным ситуациям, так и для обычного жителя.

Инвентаризация опасных с точки зрения экстремальных ситуаций антропогенных и природных объектов важна для учета возможного опасного воздействия таких объектов при поиске мест размещения новых объектов, чувствительных к их воздействию. Так, например, знание зон и уровней затопления вдоль реки позволяет избегать строительства на затопляемых участках. И речь здесь не только об участках поймы, затопляемых ежегодно, но и о более широких зонах, вероятность затопления которых невелика, например, раз в 10 или 100 лет [3].

Важность моделирования зоны затопления для пос. Кизнер очевидна: во-первых, это постоянная угроза подтопления весенним половодьем низинной части поселка; во-вторых, территория поселка отличается повышенной плотностью железнодорожных путей, а также наличием специфичных и довольно опасных объектов. И наконец, немаловажно отметить, что, по данным государственного доклада [4], общепоселковые канализационные очистные сооружения отсутствуют. Сточные воды в основном сбрасываются в накопители - выгребные ямы, откуда ассенизационным транспортом вывозятся на свалку. Следовательно, при прохождении экстремальных паводков и половодий появляется риск неблагоприятных экологических и социальных последствий.

Гидрографическая сеть окрестностей пос. Кизнер представлена р. Люга и ее левым притоком р. Тыжма, относящимся к левобережным притокам р. Вятка. По классификации ГОСТ 19179-73 эти реки относятся к категории малых. Рассматриваемые реки берут начало на севере Кизнерского р-на, и сливаются в юго-западной части поселка. Далее р.Люга несет свои воды в юго-западном направлении и впадает в р. Вятка на территории Кировской области.

Водосбор р. Люга и ее притока р. Тыжма, расположен в подзоне смешанных лесов Вятско-Камского междуречья. Поверхность бассейна изрезана многочисленными долинами ручьев, балок и оврагов. Наибольшие абсолютные отметки в истоках рек - 250-230 м БС, минимальные, приуроченные к урезу р. Вятка, - 52-55 м.

Долины широкие, хорошо разработаны, с небольшой левосторонней асимметрией инсоляционного типа, с относительно пологими склонами. Склоны густо расчленены постоянной и временной эрозионной сетью.

Поймы широкие, в основном двухсторонние, покрытые лугами и кустарником, местами заболоченные и залесенные.

Русла рек характеризуются малыми уклонами и небольшими скоростями течения воды. Широкое распространение легкоразмываемых пород на водосборе и соответственно в аллювии обусловило неустойчивость речных русел в плане.

В гидрологическом отношении рр. Люга и Тыжма практически не изучены, стационарные гидрометрические наблюдения никогда не проводились. Поэтому основные количественные характеристики стока и режим рек позаимствованы из имеющихся отчетов [5], где они определялись расчетным путем, на основании бассейнов-аналогов.

Основной фазой водного режима является весеннее половодье, начало которого приходится на первую декаду апреля, пик половодья приходятся на третью декаду. Общая продолжительность весеннего половодья, что характерно для малых рек Удмуртии, в среднем не превышает 25-35 дней [6].

Использование современных методов пространственного анализа на базе ГИС-технологий позволяет строить прогнозные модели, создавать сценарии возможных ситуаций для быстрого и научно обоснованного принятия управленческих решений. Алгоритм создания таких моделей в общем виде представлен на рис. 1.

Построение прогнозной модели зоны затопления включает в себя несколько этапов. Поскольку величина зоны затопления зависит от двух переменных - рельефа и гидрологических показателей водного объекта, следовательно, на первом этапе важно провести анализ рельефа исследуемой территории. На втором этапе для моделирования зоны затопления необходимо иметь данные об основных гидрологических показателях рассматриваемого водотока (режим, расход, уровень воды и др.), после чего выполняется расчет параметров модели. Третьим этапом является непосредственно моделирование по полученным расчетным данным. Заключительная часть работы представляет собой анализ модели зоны возможного затопления и выявления последствий подъема уровня воды.

Анализ ситуации

Сбор данных

Построение моделей

И

Поддержка управленческих решений

Рис.1. Обобщенная схема построения прогнозных моделей

Работа по моделированию зоны затопления начинается с построения цифровой модели местности, под которой понимается совокупность различных слоев цифровой картографической информации на объект моделирования. В частности, на основе растровых изображений топографических карт для пос. Кизнер была создана серия тематических электронных слоев, содержащих информацию о зонах возможного затопления при заданных отметках уровня воды.

Согласно принятому алгоритму создание базы данных зоны затопления начинается с оцифровки рельефа. Также в базу данных были занесены объекты жилищного фонда и промышленные предприятия (рис. 2). В завершение этой части работы по данным электронных слоев, внесенных в базу, был создан вариант полной электронной карты, где восстановлен рельеф территории, насыщенный необходимой для прогнозного моделирования информацией (кварталы, улицы и дома, гидрологическая и дорожная сеть) (рис. 3).

Рис. 2. Фрагмент электронной основы с различными тематическими слоями

На следующем этапе по расчетным данным уровня воды 1%, 5%, 10% и 25%-й обеспеченности [5] для каждого створа можно построить или выделить зону затопления на основе интерполяции между заранее вычисленными зонами затопления стандартной обеспеченности. Ниже приводятся примеры моделей возможного затопления территории для наиболее характерных уровней 1% и 25%-й обеспеченности (рис. 4, 5).

Рис. 3. Рельеф местности с наложением тематических слоев

Рис. 4. Зона затопления при уровне половодья 25%-й обеспеченности

Рис. 5. Зона затопления при уровне половодья 1%-й обеспеченности

В результате проделанной работы была получена прогнозная цифровая модель с возможностью визуальной и расчетной оценки площадей и объектов, подтопляемых при прохождении половодий низкой обеспеченности, а также извлечена информация о предприятиях, домах и кварталах, попадающих в рассчитанные зоны затопления.

Путем расчетных операций получены количественные данные о размерах затапливаемой территории, а именно: р. Люга при 1%-й обеспеченности затапливается 2,63 км2 земель пос. Кизнер, при 25%-й обеспеченности - 0,94 км2; для р. Тыжма данные показатели соответственно равны 0,65 км2 и 0,39 км2.

Первичная оценка последствий прохождения половодий и паводков была проведена при опросе местного населения, так как считается, что при изучении рек необходимо иметь сведения от местных жителей о наивысших уровнях рек, а следовательно, примерно и о максимальных расходах, и о тех бедствиях, которые в данном районе наблюдались [7].

И уже после моделирования был составлен точный перечень объектов попадающих в зону затопления, оценены возможные последствия, данные о которых приведены в таблице. Перечень объектов, попадающих в зону подтопления, был составлен при помощи функции Map Calculation, позволяющей при введении в рабочее поле показателя обеспеченного уровня определить объекты, находящиеся в зоне риска. Используя возможности дополнительных модулей, были выделены 12 улиц и 256 домов, попадающих в зону затопления поселка.

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2009. Вып. і

Таблица

Перечень объектов, попадающих в зону возможного затопления

пос. Кизнер

№ п\п Наименование объектов Основные характеристики Примечание

і Селитебная территория пос. Кизнер (сектор жилой застройки) Жилая зона расположена на прилегающих пойменных землях рр. Тыжма и Люга. Выход воды на пойму р. Люга наблюдается почти ежегодно, степень затопления зависит от обеспеченности половодья, максимальных значений уровня воды. Эвакуация населения, нарушение транспортного движения, возможны разрушения коммуникаций, мостов, нанесение материального ущерба имуществу граждан. Попадание стоков с загрязненной территории в водные объекты.

2 Очистные сооружения канализации КОС пос. Кизнер. Очистные сооружения расположены на левом размываемом берегу р. Люга, построены по проекту, с учетом максимального уровня весеннего половодья. Проектная мощность 200 м3/сут. Фактическая -3,8 тыс. м3/сут. Возможно попадание неочищенных стоков в р. Лю-га. Сооружения работоспособные, но в неудовлетворительном состоянии, необходимо проведение капитального ремонта.

3 Сельхозугодия колхоза им. Свердлова. Пойменные заливные земли рр. Люга и Тыжма. Эвакуация населения, нарушение транспортного движения, возможны разрушения коммуникаций, мостов, нанесение материального ущерба имуществу граждан.

Итак, исходя из проделанной работы, можно сделать вывод, что при прохождении половодий и паводков низкой обеспеченности затапливается значительная часть территории пос. Кизнер, что может привести к значительному материальному и моральному ущербу населению, проживающему здесь. Наибольшее воздействие поднятие уровня воды в рр. Люга и Тыжма сказывается на селитебной зоне, представленной в основном частным сектором, в пределах которого имеется большое количество несанкционированных свалок мусора и выгребных ям для нечистот, что может крайне неблагоприятно отразиться на состоянии санитарно-эпидемиологической обстановки.

Важно отметить, что электронная карта с тематическими слоями зон затопления при прохождении паводков высокой обеспеченности имеет практическое значение и позволяет:

- произвести оценку паводковой ситуации в период прохождения половодья высокой обеспеченности;

- органам местного самоуправления при возможном подтоплении

территорий населенных пунктов принять оперативные управленческие решения по проведению предупредительных противопаводковых мероприятий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Наводнения и борьба с ними: сб. / сост. Н.И. Коронкевич. М.: Знание, 1982. №6. 48с.

2. Основы геоинформатики: Кн.1: учеб. пособие для студентов вузов / сост. Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др.; под ред. В.С. Тикунова. М.: Изд. центр «Академия», 2004. 352 с.

3. Андрианов В. Чрезвычайные ГИС // АгсУ1етс? - Современные геоинформационные технологии. Чрезвычайные Ситуации. 2003. №3.

4. О состоянии окружающей природной среды УР в 2005 году: государственный доклад / ИжГТУ. Ижевск, 2006. 200 с.

5. Определение границ зон затопления в пос. Игра и Кизнер при прохождении паводков и половодий высокой обеспеченности. Удмуртская Республика: отчет по теме / под ред. Л.М. Корешковой. Ижевск, 2006.

6. Ресурсы поверхностных вод СССР. Средний Урал и Приуралье / под ред. Н.М. Алюшинской. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. Т.11. 848 с.

7. Аполов Б.А. Учение о реках. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1963. 423 с.

Поступила в редакцию 12.04.09

Ju.I. Denisova, student

A.A. Perevoschikov, candidate of geography, associate professor

Constructing a Forecast Model of a Flood Zone by Means of GIS Technologies in the Township of Kizner

The paper presents a flood zone forecast model as applied to settlement lands under high water conditions, using the township of Kizner as an example. The model is based on GIS technologies.

Денисова Юлия Ивановна, студент

Перевощиков Александр Анатольевич, кандидат географических наук, доцент ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск ул. Университетская, 1

Е-mail: paa@uni.udm.ru