Применение ГИС при исследовании чрезвычайных ситуаций на реках (на примере рек бассейна верхней Оби)

УДК 528.9:004+632.123.1 А.А. Шибких

Институт водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ НА РЕКАХ

A.A. Shibkikh

Institute for water and environmental problem SB RAS, Barnaul

GIS APPLICATION FOR STUDYING THE EXTREME SITUATIONS ON THE RIVERS

Abstract. To prevent the extreme situations on the water objects or to eliminate their aftereffects, the up-to-date computer-based methods of modeling and all available information on the object should be used. The application of GIS and GIS technologies makes it possible to simplify and accelerate the solution of the tasks set. The paper considers three types of extreme situations, typical for the Upper Ob basin, i.e. flood events, low water events and negative morphodynamic situations. The GIS application for collection and analysis of the source information, computer-based flow modeling, the analysis of the modeling outcomes and making final decisions was demonstrated by the example of solving the actual tasks on prevention of extreme situations on the water objects.

Все большее осваивание территории, в том числе в непосредственной близости от русел крупных, средних и малых рек, а также использование рек для хозяйственных нужд приводит к увеличению количества чрезвычайных ситуаций. Причинами возникновения чрезвычайных ситуаций являются стихийные бедствия и последствия антропогенного воздействия на территорию. Основными событиями, приводящими к возникновению чрезвычайных ситуаций на реках бассейна Верхней Оби являются гидрологически опасные явления - наводнения и маловодья, а также негативные проявления русловых процессов.

Наводнения являются часто повторяющимися и одними из самых разрушительных природных явлений. Наводнения приводят к человеческим жертвам, частичному или полному разрушению зданий и объектов инфраструктуры, потери сельхозпродукции, экологическим проблемам и т.д. Для рассматриваемого бассейна р. Обь основными причинами наводнений могут являться:

- Таяние снегов;

- Затяжные осадки в летний период;

- Интенсивные осадки в летний период;

- Разрушение плотин и дамб.

- Ледовые заторы и зажоры;

Нередко причиной наводнения является совокупность упомянутых природных и антропогенных факторов. Так, в период половодья на ряде

участков бассейна Оби гидрологическая ситуация осложняется ледовыми заторами (участок р. Обь у сел Сибирка и Кучук Шелаболихинского района Алтайского края [1]), подпорными явлениями связанными с сужением русла в результате строительства мостов и дамб, интенсивными осадками. Интенсивные осадки могут вызвать разрушение гидротехнических сооружений, что приведет к совпадению волны прорыва и волны дождевого паводка в нижнем бьефе.

Маловодье приводит к понижению уровня и расходов воды, что препятствует нормальному функционированию водозаборов, ухудшению гидробиологической обстановки, прекращению судоходства и т.д. Маловодье в зимний период может вызывать полное промерзание русла реки и образование наледей, что периодически происходит в долинах рек Республики Алтай. Для рассматриваемого бассейна р. Обь основными причинами маловодий могут являться:

- Отсутствие осадков или поверхностного притока;

- Истощение подземных вод и небольшие запасы воды в русловой сети;

- Промерзание русла реки;

- Изменение направления стока.

Так, в результате перераспределения расхода между рукавами (изменение направления стока), происходит отмирание Правого Чарыша в районе скважин Чарышского группового водопровода [2]. Экстремальным выражением маловодья является полное прекращение стока воды на отдельных участках гидрографической сети средних или малых водотоков.

Русловые процессы является сложными природными процессами, которые определяются взаимодействием движущейся воды, перемещаемых водой наносов, слагающих ложе потока грунтов и формой русла. Русловые процессы приводят к изменению рельефа дна русла, перераспределению водных потоков, размыву берегов. Наличие в непосредственной близости возле рек населенных пунктов, сельхозугодий, инженерных коммуникаций приводит к необходимости прогнозирования развития русловых процессов на участках рек для предотвращения или устранения их негативных проявлений. Одним из таких участков является многорукавный участок р. Катунь возле с. Верх-Катунское Бийского района Алтайского края [3].

Для оценки причин возникновения экстремальных гидрологических явлений приводящих к чрезвычайным ситуациям, разработки способов их предотвращения или устранения их негативных проявлений необходимо использовать современные методы математического и компьютерного моделирования с привлечением ГИС-технологий на всех стадиях моделирования.

Компьютерная модель реального объекта требует наличия различной информации, имеющую пространственную привязку. Для компьютерного моделирования чрезвычайной ситуаций на реках необходимой является следующая пространственная информация:

- Рельеф местности: топографические карты и планы, промеры русла, положение и геометрические параметры существующих и планируемых инженерных сооружений и другая информация о рельефе;

- Данные, необходимые для калибровки и верификации математических моделей и расчетов: положение береговой линии при различных расходах, параметры потока (скорость, температура и т.д.), крупность наносов, параметры почв и грунтов и т.д.;

- Положение подверженных негативному воздействию объектов: жилые и промышленные здания, объекты инфраструктуры, плотность населения, типы земель и т.д.

Информация о пространственном положении различных объектов, как правило, представлена в виде разномасштабных карт и планов в различной системе координат, космоснимках, а также в виде табличных данных или текстовых описаний. Совмещение разноплановой информации является первой необходимой задачей для анализа текущей ситуации и выработки методов предотвращения чрезвычайных ситуаций.

Не менее важным является возможность с помощью ГИС совмещение разновременной информации. Для участка р. Обь в районе проводимых мероприятий по расчистке русла возле сел Сибирка и Кучук Шелаболихинского района Алтайского края (рис. 1) с помощью ГИС ArcView было проведено совмещение русловых съемок разных лет. Проведенный анализ гидроморфологической ситуации позволил выявить основные тенденции изменения положения береговой линии и показал наличие сложной структуры русловых форм и факт интенсивного переформирования русла, что в свою очередь показало необходимость компьютерного моделирования русловых процессов на основе двумерных (плановых) моделей поля скорости течения и русловых деформаций для анализа эффективности планируемых мероприятий по расчистке русла [1].

Рис. 1. Картосхема изменения положения береговой линии р. Обь в районе проводимых мероприятий по расчистке русла возле сел Сибирка и Кучук Шелаболихинского района Алтайского края

Одним из результатов компьютерного моделирования таких чрезвычайных ситуаций как наводнение или маловодье является положение границы затопляемой территории при определенных параметрах течения и проводимых инженерных мероприятиях.

В случае использования плановых моделей течения положение границы затопляемой территории c учетом того, что расчетная сетка должна отображать значимые особенности рельефа объекта, определяется положением узлов расчетной сетки модели, занятых водой.

В случае использования одномерных горизонтальных моделей течения необходимо создать область затопления исходя из наличия цифровой модели рельефа и информации об уровнях воды по расчетным створам. Построение плановой картины затопления территории производится интерполяцией поверхности уровня воды вдоль русла и выделения односвязной области, для всех точек которой значение уровня воды выше значения высоты рельефа [5].

Такие расчеты были проведены для участка русла р. Чарыш в районе скважин Чарышского группового водопровода. Для предотвращения негативных последствий увеличения водности Левого Чарыша и отмирания Правого Чарыша были запланированы мероприятия направленные на переброс части стока из Левого Чарыша в Правый Чарыш [2]. Для предотвращения выхода воды на пойму вне периода весеннего половодья и начала неконтролируемых процессов размыва и заиления в результате увеличения водности, было принято решение о создании русловыправительной прорези на участке Правого Чарыша. Компьютерное моделирование речного потока в условиях повышенной водности

происходило с использованием одномерной схематизации при моделировании речного потока. Расчеты зон затопления при различных параметрах русловыправительной прорези позволили определить оптимальные геометрические характеристики прорези с позиции минимизации объема извлекаемого речного материала при условии, что модифицированное русло обеспечивает пропуск непаводковых расходов воды в бровках русла.

Использование ГИС целесообразно также при анализе результатов компьютерного моделирования. При разработке мероприятий по предотвращению наводнений, построение с помощью ГИС карт ущербов позволяет определить ущерб до и после проведения мероприятий и, таким образом, определить их эффективность. Карта ущербов - географическая карта местности требуемого масштаба с выделенными на ней зонами ущербов, соответствующими выбранной шкале [4]. Ущерб может быть выражен как в форме стоимости, так и в разработанной балльной системе. Процедура построения карт ущербов опирается на две компьютерные модели:

- Модель расчета параметров наводнения;

- Модель зависимости ущерба определенному классу объектов от параметров наводнения [6, 7].

Объектами, подверженным ущербу в результате наводнения являются: жилые и промышленные здания, объекты инфраструктуры, земли разного назначения и т.д. [5, 8]. Данные об этих объектах послойно хранятся в ГИС. Параметрами наводнения являются скорость и глубина потока, а также время стояния воды. С использованием этих моделей в каждой точке зоны затопления строятся карты возможного ущерба для различных классов объектов. Карту реальных ущербов получают в результате наложения слоев с информацией о реальных объектах на карту возможных ущербов.

При решении важных задач по предотвращению возникновения чрезвычайных ситуаций на водных объектах или устранению их последствий необходимо использовать современные методы компьютерного моделирования с привлечением всей имеющейся информации по конкретному объекту. Использование ГИС и геоинформационных технологий позволяет упростить и ускорить выполнение поставленных задач.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Моделирование русловых процессов для оценки влияния расчистки русла / А.Т. Зиновьев и др. // Ползуновский вестник. - 2006. - № 2-1. - С. 197-203.

2. Компьютерное моделирование русловых процессов для оценки влияния русловыправительных работ на р. Чарыш в районе водозабора Чарышского группового водопровода / М.В. Затинацкий и др. // Питьевые воды Сибири - 2007: материалы IV научно-практической конференции / под ред. Г.Г. Онищенко. - Барнаул: Пять плюс, 2007. - С. 77-81.

3. Компьютерное моделирование русловых процессов на участке многорукавного русла р. Катунь у с. Верх-Катунское / А.Т. Зиновьев и др. // Ползуновский вестник. - 2006. - № 4-2. - С. 72-76.

4. Использование электронных топографических карт для оценки ущерба от катастрофических паводков / В.В. Беликов и др. // Безопасность энергетических сооружений: Научно-технический и производственный сборник. РАО "ЕЭС России", НИИ энерг. сооруж. - М., 2003. Вып. 11. - С. 434-443.

5. Затинацкий, М.В. Компьютерный прогноз эколого-экономического ущерба от воздействия волны прорыва / М.В. Затинацкий и др. // Современные проблемы водохранилищ и их водосборов: труды международной научн. -практ. Конференции. -Пермь, 2007. - Т. II. - С. 119-124.

6. РД 03-626-03. Методика определения размера вреда, который может быть причинен жизни, здоровью физических лиц, имуществу физических и юридических лиц в результате аварии гидротехнического сооружения. - М., 2003.

7. РД 153-34.2-002-01. Временная методика оценки ущерба, возможного вследствие аварии гидротехнического сооружения. - М., 2001.

8. Природные опасности России: В 6 т. / под общ. ред. В.И. Осипова, С.К. Шойгу; Рос. акад. наук, М-во РФ по делам гражд. обороны, чрезвычайн. ситуациям и ликвидации последствий стихийн. бедствий. - М.: КРУК, 2000.

9. Гидрометеорологические опасности / [Г.С. Голицын, А.А. Васильев, С.Н. Куличков и др.]; под ред. Г.С. Голицына, А.А. Васильева. - М., 2001. - 295 с.

© А.А. Шибких, 2008