Геоинформационное моделирование зон затопления участка реки Большой Иргиз

Геоинформационное моделирование зон затопления участка реки Большой Иргиз

Министерство по образованию

Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

Кафедра геоморфологии и геоэкологии

КУРСОВАЯ РАБОТА

Геоинформационное моделирование зон затопления участка реки Большой Иргиз

Саратов 2012

Содержание

Введение

1. Географические факторы режима уровней воды в реке

1.1 Факторы, влияющие на режимы рек и развитие половодий

1.2 Характеристики уровневого режима реки Большой Иргиз

2. Основные методы прогнозирования максимальных уровней воды в реках

2.1 Существующие подходы к прогнозированию наивысших уровней воды в реке

2.2 Характеристика весеннего половодья на территории Саратовской области в 2012 году (по данным МЧС России)

3. Методы и приемы моделирования зон затоплений территорий

.1 Геометрический метод расчёта зон затопления территории

3.2 Использование методов и приемов геоинформационного моделирования при построении зон затоплений территории

4. Применение геоинформационных технологий при моделировании зон затопления половодья 2012 года на участке реки Большой Иргиз

Заключение

Список использованных источников

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в мире отмечается рост числа и масштабов наводнений и связанных с ними социальных и экономических потерь. Как в настоящее время, так и в обозримом будущем, наводнения как стихийное бедствие не могут быть целиком предотвращены везде и всюду, их можно только ослабить, локализовать и при своевременном предупреждении свести к минимуму материальный ущерб.

Актуальность, а также высокая практическая и теоретическая значимость обусловили выбор направления исследования, цели и задачи работы, ее объект и предмет.

Цель данной работы: анализ существующих методов и приемов, прогнозирования наивысших уровней воды, моделирования зон затопления (последствий разлива рек, обусловленных половодьем) и дальнейшее их применение на практике. Исходя из поставленной цели, были сформулированы основные задачи курсовой:

.Определить основные факторы, влияющие на режимы рек.

.Ознакомиться с методами прогнозирования наивысших уровней воды, моделирования зон затопления

.Проследить за половодьем на реках Саратовской области.

.На основе знаний о методах моделирования, а также, используя характеристики половодий на реках Саратовской области, определить масштабы зон затопления при различных уровнях воды, в частности, при уровне, который наблюдался на реке Большой Иргиз во время половодья 2012 года.

Объектом изучения курсовой работы является участок реки Большой Иргиз вблизи города Пугачёва.

1. ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ РЕЖИМА УРОВНЕЙ ВОДЫ В РЕКЕ

.1 Факторы, влияющие на режимы рек и развитие половодий

Закономерно повторяющиеся изменения во времени взаимосвязанных характеристик водного потока - расхода и уровня воды, уклона водной поверхности, скоростей течения - определяют водный режим реки [1].

Река является элементом ландшафта, и ее режим отражает влияние всего комплекса физико-географических и климатических факторов, свойственных данной природной зоне. Среди них главная роль принадлежит осадкам и их распределению в году, режиму температуры воздуха, испарению и инфильтрации.

На равнинной территории природные факторы изменяются зонально. Соответственно зонально изменяется водный баланс и режим рек. Различают следующие гидрологические зоны: очень влажная (тундровая)(I), избыточного увлажнения (лесная)(II), переменного увлажнения (лесостепь)(III), полусухая (степная и полупустынная)(IV), сухая (пустынная)(V) и горные районы(VI) [2] (Рисунок 1.1).

река половодье геоинформационный затопление

Рисунок 1.1. Гидрологические зоны (по В.А.Троицкому) [2]

В горных областях ясно выражена высотная поясность климатов и ландшафтов и соответственно вертикальная гидрологическая зональность. В каждой зоне можно выделить районы, внутри которых однородность гидрологического режима проявляется более четко, чем во всей зоне.

В пределах каждой зоны или гидрологического района реки имеют общие черты водного режима, обусловленные общностью условий формирования стока. Эта общность проявляется в закономерном чередовании периодов повышенной и пониженной водности внутри года, называемых фазами водного режима. Вместе с тем отдельные реки, протекающие в пределах зоны, могут существенно отличаться по режиму, что обусловлено особенностями речного бассейна, являющимися азональными.

К их числу относятся: рельеф бассейна, геологическое строение, степень облесенности, озерность и заболоченность. Известное влияние оказывает также размер бассейна, его форма, а в горах - ориентация склонов по отношению к странам света и влагоносным воздушным потокам. Влияние всех этих факторов сказывается на режиме двояко: они изменяют климатические условия - осадки, температуру воздуха, испарение, а с другой стороны, влияют на добегание воды со склонов в русла и потери на инфильтрацию.

Половодьем называется ежегодно повторяющийся в один и тот же сезон продолжительный и высокий подъем уровня и расхода воды, обусловленный поступлением воды от главного источника питания реки. Половодье обычно сопровождается затоплением поймы [3].

Половодье может быть как снегового или снего-ледникового, так и дождевого происхождения. На разных реках земного шара оно проходит в разное время года. На Европейской равнине оно наблюдается весной, в бассейне Амура летом и осенью, а в Средиземноморье - зимой. Начало половодья обычно определяют по дате устойчивого увеличения расхода воды, обнаруживаемого на гидрографе. Значительно сложнее определить его конец, особенно для рек с высокой естественной зарегулированностью или при частых дождевых паводках. Правильнее всего за конец снегового половодья принимать момент времени, когда через замыкающий створ пройдет остаток талой воды с наиболее удаленной части бассейна. Это делается с помощью данных о сходе снега, а также наблюдений за исчезновением ручьев в балках и оврагах [1].

На большей части территории России весеннее или весенне-летнее половодье образуется главным образом талыми водами сезонных снегов, а в горах - также ледников. Выпадение дождей в период таяния снега и ледников увеличивает сток половодья.

Продолжительность его зависит от дружности таяния снега в бассейне. На равнинах одновременное таяние может охватить бассейны площадью до миллиона и более квадратных километров. В этих условиях половодье бывает высоким и продолжается не более 1,5-3 месяцев. С увеличением бассейна длительность его возрастает, так как снег неодновременно тает на всей площади и, кроме того, возрастает время добегания от верхних створов к нижним.

Если рассматривать отдельные реки, находящиеся в пределах какой-либо одной природной зоны, то высота половодья на них будет сильно различаться в связи с местными особенностями водосборов - рельефом, почвогрунтами, растительностью, озерностью и заболоченностью и т. д. Различия будут тем больше, чем меньше водосборы.

В бассейнах с густой речной и овражно-балочной сетью стекание воды происходит быстрее, чем в условиях плоского рельефа. Поэтому в расчлененных водосборах половодье проходит более дружно, продолжительность его меньше, а максимальные расходы больше, чем в слабо расчлененных [3].

В лесу снег тает с меньшей интенсивностью и с некоторым запозданием по сравнению с полем. Талая вода задерживается на поверхности и затем большей частью фильтруется в почву. Вследствие этого на лесных реках половодье несколько запаздывает, а высота его ниже, чем на открытых. Лес способствует переводу поверхностного стока в подземный, за счет этого весенний сток понижается, а водность летней и зимней межени увеличивается. Однако регулирующая его роль неодинакова в разных климатических зонах и зависит, кроме того, от многих факторов: распределения насаждений на водосборе, видового состава, возраста и сомкнутости леса, почво-грунтов и рельефа. Именно поэтому количественная оценка влияния леса на сток половодья у разных авторов сильно расходится. Сложность учета влияния леса объясняется еще и тем, что факторы, связанные с залесенностью, действуют часто в противоположных направлениях, и выделить влияние каждого из них весьма трудно.

Снижение максимальных расходов в лесных бассейнах зависит от степени дренирования подземных вод. В больших бассейнах глубина вреза русел больше, чем в малых. Поэтому можно ожидать, что снижение максимумов в малых водосборах больше, чем на больших. При полном облесении в больших бассейнах максимальные расходы талых вод снижаются в 2-2,5 раза, а в малых - до 5 и более раз [4].

Озера и болота также оказывают регулирующее воздействие на режим рек - они способствуют снижению максимального стока и выполаживанию половодья. Влияние болот сказывается главным образом на снижении летних максимумов, когда уровень грунтовых вод в болотных массивах понижается, и аккумулирующая емкость их возрастает.

Величина модуля максимального расхода талых вод уменьшается с увеличением площади водосбора и зависит также от направления течения реки. В больших бассейнах снеготаяние происходит не одновременно на всей площади. По этой причине талая вода поступает в русло в разное время, и половодье более низкое. Кроме того, выполаживание происходит за счет неодновременности добегания талых вод с разных частей бассейна. Если к тому же река течет с севера на юг, т. е. из районов с большими запасами снега в районы с меньшими запасами и в направлении, противоположном движению фронта снеготаяния, то половодье еще больше выполаживается и модуль снижается, так как поступление талых вод из верховий отстает.

Высота половодья сильно различается по годам в зависимости от метеорологических условий. Главными факторами, влияющими на размеры половодья, являются [1]:

·   запас воды в снежном покрове;

·   осадки, выпавшие на снежный покров и обнажившуюся почву;

·   испарение с почвы и снежного покрова во время снеготаяния;

·   инфильтрация воды в почву.

Следует отметить также температуру воздуха, которая влияет на испарение, а также на интенсивность таяния снега и ледников.

Осадки и температура воздуха в предзимние месяцы влияют на влагосодержание почвы. А это, в свою очередь, сказывается на потерях воды на инфильтрацию и размерах будущего половодья. Вследствие различного увлажнения почвы перед началом половодья водопроницаемость ее колеблется в больших пределах, особенно в зоне недостаточного увлажнения.

Низкие зимние температуры воздуха обусловливают более глубокое промерзание почвы и меньшее просачивание воды во время снеготаяния при одинаковом насыщении почвы водой. Необходимо заметить, что колебания глубины промерзания почвы в лесу меньше сказываются на величине потерь на инфильтрацию, чем в поле, так как в лесу проникновение воды в почву сильно зависит от некапиллярных пустот, незаполненных льдом. Эту особенность леcных почв можно сравнить с горными почвогрунтами, в которых имеется много крупных пустот.

Солнечная радиация и температура воздуха являются главными факторами, определяющими размеры половодья на реках ледникового питания.

1.2 Характеристики уровенного режима реки Большой Иргиз

Большой Иргиз - река в Самарской и Саратовской областях (Ивантеевский, Пугачевский, Краснопартизанский, Ершовский, Балаконский районы), левый приток Волги. Длина составляет 675 км (в пределах Саратовской области - 458 км). Площадь бассейна - 24 тыс. км² (в пределах Саратовской области - 17 тыс. км²) [5].

Река берёт начало с отрогов Общего Сырта на границе Оренбургской и Самарской областей, протекает в широкой (до 10-15 м) хорошо разработанной резко асимметричной долине. Правый берег высокий, незатопляемый, поймы не имеет. Левый берег пологий, низкий, с широкой поймой, которая в нижнем течении сливается с волжской. Берега реки довольно высокие, обрывистые, возвышаются до 10 м и более.

По внутригодовому распределению стока река Большой Иргиз относится к Казахстанскому типу рек. Основную долю годового стока составляют талые воды - 96%. На долю летне-осенней межени приходится 2,5%, зимней - 1,5%. Режим грунтовых вод определяет относительно равномерный подземный приток в реку, но на отдельных участках имеют место случаи пересыхания реки в летнее время [6].

Ледяной покров сплошной, ровный. Толщина льда до 67 см. В суровые зимы на отдельных участках реки промерзает до дна. Средний ледостав длится 146-152 дня. Весенний ледоход начинается в низовьях реки 7 апреля, в верховьях - 14 апреля, и длится 1-7 дней [5].

Основными зональными факторами, определяющими режим реки Большой Иргиз (масштабы весеннего половодья), являются, прежде всего, климатические (распределение осадков в году, режим температуры воздуха, испарение и инфильтрация).

Среди азональных факторов главную роль играют: геологическое строение русла - оно песчано-глинистое, легко размываемое, отличается очень большой извилистостью (на некоторых участках расстояние между пунктами по руслу в 3 и даже 5 раз больше, чем по прямой); расчленённая овражно-балочная сеть, что способствует быстрому стеканию воды; слабая залесённость бассейна, обуславливающая низкую степень инфильтрации.

Подъем уровня весной начинается 3, 4 апреля, проходит со средней интенсивностью 0,8 м/сутки. Пик половодья проходит в середине апреля. Средняя продолжительность половодья 30 дней. Летняя межень наступает в конце, апреля - начале мая, относительно устойчивая, высокие дождевые паводки наблюдаются редко. Наибольшие низкие уровни отмечаются в сентябре. Зимняя межень устойчивая. Годовая амплитуда колебания уровня воды изменяется по течению реки от 6 до 13 м.

Большой Иргиз является одной из самых опасных рек Саратовской области по площади сезонных затоплений территории. Половодье на реке весной 2012 года (Рисунок 1.2).

Рис. 1.2. Половодье 2012 год. г. Пугачёв [7].

.1 Существующие подходы к прогнозированию наивысших уровней воды в реке

Основой для изучения гидрологического режима рек являются непрерывные в течение длительного времени наблюдения сети гидрологических станций и постов, размещенных на них. Использование результатов этих наблюдений и их научное обобщение дают возможность определять и прогнозировать состояние основных характеристик рек [3].

Результаты наблюдений за уровнями позволяют установить зоны и продолжительность затопления отдельных участков речной долины, скорость продвижения паводочной волны вдоль по реке (в том случае, если на реке имеется не менее двух водомерных постов) и сделать выводы об общем характере изменения водности реки в течение года, в более долгие периоды, о наиболее высоких половодьях и т. д..

Многолетние наблюдения за датами вскрытия рек и их дальнейшее сопоставление со временем максимального подъёма уровня воды позволяют производить долгосрочные прогнозы о начале и окончании половодий [6].

В настоящее время для определения наивысших уровней воды разработано достаточно много методов и приёмов, и всегда руководствующим документом при их выборе или создании является СНиП (например, "Определение основных расчётных гидрологических характеристик" - СП 33-101-2003) [8].

Исходя из обеспеченности данными гидрометрических наблюдений выделяют три группы методов:

- методы определения расчетных гидрологических характеристик при наличии данных гидрометрических наблюдений;

методы определения расчетных гидрологических характеристик при недостаточности данных гидрометрических наблюдений;

методы определения расчетных гидрологических характеристик при отсутствии данных гидрометрических наблюдений. В нашем случае мы будем руководствоваться последней из перечисленных групп методов.

Расчетные наивысшие уровни воды рек в створе поста определяют по аналитической кривой распределения вероятностей превышения ежегодных наивысших мгновенных или срочных уровней воды за период многолетних наблюдений. При неоднородности наивысших уровней воды допускается использование эмпирических кривых вероятностей распределения.

Для рек, наивысшие уровни которых наблюдаются в разные фазы водного и ледового режимов, производят обработку однородных рядов уровней, соответствующих снеговому половодью, дождевым паводкам и паводкам ледниковых вод при свободном состоянии русла, а также максимальных уровней при зажорах и заторах, осеннем и весеннем ледоходах.

При определении вероятности превышения высшего исторического уровня, установленного по данным опроса жителей или архивным источникам, принимают число лет, в течение которых он не был превышен.

2.2 Характеристика весеннего половодья на территории Саратовской области в 2012 году (на данным МЧС России)

Зима 2011-2012 гг. на территории Саратовской области характеризовалась преобладанием положительной аномалии температуры воздуха в декабре и аномально холодной погодой во второй половине января и первой половине февраля, а также обилием осадков.

Устойчивый переход среднесуточных температур воздуха через 0° в сторону отрицательных значений осуществился на территории Саратовской области 5 ноября 2011 года, что в большинстве районов раньше средних многолетних сроков на 1…7 дней, в Озинках в обычные сроки, в Карабулаке и Перелюбе - позже них на 1…4 дня.

Устойчивый снежный покров на преобладающей части территории образовался 9 ноября, раньше средних многолетних дат на 14…36 дней. Местами (в Карабулаке и Калининске) снежный покров установился 11…16 ноября, что раньше обычного на 25 и 10 дней соответственно.

По данным наблюдений на метеоплощадках 29 февраля нижняя граница мерзлого слоя почвы в большинстве районов проходила на глубине 36…95 см при норме 55…130 см. Наибольшая толщина мерзлого грунта (106…125 см при норме 60…95 см) отмечалась в Калининске, Ершове, Октябрьском Городке и Аткарске. Меньше всего (на 23…25 см) почва промерзла в Карабулаке, Хвалынске и Балаково. Среднеобластной показатель глубины промерзания почвы составил 64 см (норма 86 см), увеличился за декаду на 5 см. На 28 февраля 2011 года он составлял 53 см [9].

Гидрометеорологическая обстановка на территории Саратовской области по состоянию на 5 марта 2012 года

От даты последнего определения влагозапасов осенью - 28 октября 2011 года - до 29 февраля 2012 г. в среднем по области выпало 144 мм осадков, что составляет 113% климатической нормы (норма 127 мм).

По данным снегосъемки, проведенной сетью наблюдательных пунктов 29 февраля 2012 года, наибольшая высота снега (102…121 см при норме 49 см) отмечалась в лесных массивах Вольского и Хвалынского районов. Меньше всего снега (17…19 см при норме 11…20 см) отмечалось на полях в Сплавнухе, Озинках и Александровом Гае. В большинстве районов области средняя высота снежного покрова изменялась от 22…30 см до 31…62 см (норма 16…45 см). Среднеобластной показатель высоты снежного покрова за девять дней февраля увеличился на 10 см и 29 февраля составил 42 см при норме 28 см. За последние 21 год наблюдений такой высоты снежного покрова на конец февраля не наблюдалось. В 2011 году на эту дату высота снежного покрова равнялась в среднем по области 36 см.

В зависимости от высоты снежного покрова и плотности снега запас воды в снеге 29 февраля изменялся в большинстве районов от 88 до 148 мм при норме 69…100 мм. Наименьший запас воды в снеге (43…78 мм при норме 50…81 мм) наблюдался местами в западных, южных правобережных и местами в юго-восточных районах. Наибольший запас воды в снеге (160…242 мм при норме 121…126 мм) фиксировался в Карабулаке, Вольске и Хвалынске. Среднеобластной показатель составил 103 мм или 127% нормы, увеличился за девять дней на 21 мм. В 2011 году на эту же дату он составлял 80 мм, в 2010 году он равнялся 97 мм. За последние 21 год наблюдений наибольший запас воды в снеге (127 мм) отмечался в 1999 году.

По данным Росгидромета в марте 2012 года средняя месячная температура воздуха на территории Саратовской области была на 0,6º выше климатической нормы. Месячное количество осадков составит 132% средней многолетней величины.

По данным многолетних наблюдений (период 1971-2000 гг.) средняя месячная температура воздуха в марте колеблется от -3,0º …-4,2º в центральных и южных районах области до -5,0º в северных районах. В г. Саратов она составляет -3,0º.

Месячное количество осадков: в большинстве районов Саратовской области 20…25 мм, наименьшее (18…19 мм) на юго-востоке области; наибольшее (26….33 мм) местами в Правобережье, в Саратове - 25 мм. Число дней с осадками 10…12.

Температурный режим марта неоднороден: в течение месяца наблюдается чередование периодов холодной и слабоморозной погоды. Смена воздушных масс сопровождается выпадением осадков, преимущественно в виде снега, усилением ветра, метелевыми явлениями. В связи с увеличением продолжительности светлого времени суток при малооблачной погод наблюдается уплотнение и постепенное таяние снега, в приземном слое воздуха происходит накапливание влаги и, как следствие, в утренние часы образуют туманы, которые могут сохраняться в течение первой половины дня. Разрушение снежного покрова начинается в третьей декаде марта с переходом среднесуточной температуры воздуха через 0º в сторону положительных значений. В начале марта текущего года преобладала слабоморозная погода, во второй половине первой декады марта температурный фон понизился и приблизился к климатической норме. Местами по области проходили небольшие осадки, преимущественно в виде снега. По состоянию на 05 марта 2012 года на малых реках Саратовской области продолжалась зимняя межень. На большинстве рек отмечался ледостав, толщина льда изменяется от 29 до 78 см, что на большинстве рек на 1-24 см больше значений прошлого года, меньше нормы на 3-23 см, на Малом Иргизе, Большом Узене - больше нормы на 3 см.

Толщина льда на Волгоградском водохранилище по состоянию на 05 марта 2012 колебалась от 43 до 70 см, что на 2-17 см больше значений прошлого года, у Маркса и Саратова меньше средних многолетних значений на 6-17 см, у Вольска и Ровного - больше нормы на 12-13 см. На Саратовском водохранилище толщина льда изменялась от 49 до 66 см при норме 48-72 см. Вскрытие рек бассейнов Волги и Урала происходило в период 26.03 - 10.04, на 1-2 дня позже нормы. Вскрытие рек бассейна Дона в период 29.03 - 10.04 (на 5 дней позже средних многолетних сроков) [9].

Слои стока в бассейнах рек:

. Большой и Малый Иргизы 75-95 мм (норма 40 мм).

. Большой Кушум, Большой Караман, Большой и Малый Узени 30-40 мм (норма 21 мм).

. Терешка, Казанла, Курдюм 75-95 мм (норма 38 мм).

Максимальное повышение уровня воды от зимнего меженного:

· на реке Большой Иргиз у г. Пугачёва до 6.9 м;

· на реке Малый Иргиз у с. Селезниха до 6.5 м;

· на реке Большой Караман у пгт Советское до 6.1 м;

· на реке Казанла у ст. Куриловка до 3.6 м;

· на реке Малый Узень у с. Малый Узень до 7.1 м;

· на реке Большой Узень у г. Новоузенска до 5.0 м;

· на реке Медведица у пгт Лысые Горы до 6.2 м;

· на реке Хопёр у г. Балашова до 4.0 м.

Исходя из сложившихся гидрометеорологических условий, по состоянию на 5 марта 2012 года, весеннее половодье на реках Саратовской области выше нормы на 109 - 316 см, на реке Хопре - ниже нормы на 13 см. Подъем уровня воды на реках, по сравнению с зимними меженными уровнями от 3,6 до 7,1 метров (Рисунок 2.1).

В соответствии с прогнозами максимальных уровней весеннего половодья и на основании статистического анализа прохождения половодья возникли чрезвычайные ситуации муниципального и межмуниципального уровней в Аткарском, Лысогорском, Балашовском, Вольском, Пугачевском, Ивантеевском, Перелюбском, Новоузенском, Питерском, Ершовском, Дергачевском, Озинском районах [9].

Рис. 2.1 Прогноз максимальных уровней весеннего половодья 2012

Наряду с ними, паводкоопасными оказались ещё 12 районов области: Аркадакский, Балаковской, Балтайский, Калининский, Красноармейский, Кранокутский, Марксовский, Петровский, Самойловский, Ртищевский, Федоровский, Энгельсский.

В этих районах в результате реализации наихудшего сценария развития паводковой обстановки в зоне затопления или подтопления оказались территории 98 населенных пунктов с населением около 18500 чел, 51 мост, 78,24 км линий электропередач, около 59,8 км дорог местного и регионального значения [9].

3. МЕТОДЫ И ПРИЕМЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЙ ТЕРРИТОРИЙ

3.1 Геометрический метод расчёта зон затопления территории

Данный подход основан на анализе триангуляционной модели поверхности, которую можно нестрого определить как триангуляцию, всем узлам которой поставлена в соответствие их высота (Z-координата). В качестве структуры данных для представления поверхности лучше всего использовать структуру "Узлы, простые рёбра и треугольники". В данной структуре каждый треугольник содержит ссылки на три образующих его узла, на проходящие через него структурные рёбра и на три соседних треугольника. Использование подобной структуры данных позволяет существенно увеличить скорость работы алгоритмов анализа триангуляционной модели поверхности, на которых основан предлагаемый алгоритм [10].

Алгоритм расчёта зон затопления

Входные данные:

. Триангуляционная модель поверхности T.

. Объём выпавших осадков V, мм/м²

Выходные данные: Список полигонов, соответствующих искомым зонам затопления с заданным объёмом воды.

Структура алгоритма:

Шаг 1. Осуществляется поиск всех "рёбер перелома" - рёбер триангуляции T, в которых экспозиция (направление) склона меняет своё значение на противоположное.

Шаг 2. Для каждого найденного ребра перелома находится узел с наименьшей Z-координатой (h). Затем по уровню h строится изолиния исходной триангуляции - геометрическое место точек на поверхности, имеющих высоту h и имеющих в любой своей окрестности другие точки с меньшей высотой. Тем самым моделируется ситуация заполнения поверхности водой до уровня h. При этом контур искомой зоны затопления с максимальным уровнем воды будет соответствовать той части изолинии, которая проходит через ребро перелома.

Если построенная изолиния состоит из нескольких контуров, то необходимо выбросить из рассмотрения те контуры, которые не относятся к текущему ребру перелома. Таким образом, мы будем рассматривать только некоторый локальный участок поверхности, где предположительно может образоваться зона затопления. После этого необходимо проверить содержат ли контуры изолинии внутри себя граничные узлы триангуляции с меньшей высотой. Если да, то это значит, что вода будет вытекать за границы поверхности. Следовательно, зоны затопления с уровнем h не будет. В противном случае считаем, что зона затопления найдена и добавляем её в список зон затопления.

Шаг 3. Строим дерево связей всех найденных зон затопления следующим образом.

Если одна зона затопления полностью включает в себя другую, то считаем, что зона затопления с большим контуром - это родитель, а с меньшим - потомок.

Шаг 4. По каждой зоне затопления строится зона водосбора - список треугольников, с которых вода будет стекать в соответствующую зону затопления.

Шаг 5. Для каждой зоны водосбора рассчитывается объём воды, приходящийся на её площадь по формуле

 ,

где Si - площадь соответствующей зоны водосбора.

Шаг 6. Для каждой зоны затопления, начиная с листьев в дереве связей зон затопления, осуществляется проверка на переполнение воды.

Если объём воды в зоне водосбора превышает максимальный объём зоны затопления, то переходим на Шаг 7.

Иначе, методом половинного деления осуществляется поиск уровня воды в зоне затопления, соответствующий требуемому объёму (ограничив при этом число итераций до 10). По найденному уровню снова строится изолиния по поверхности внутри соответствующей зоны затопления. Полученная изолиния будет соответствовать положению воды на данном участке поверхности, поэтому добавляем её в результирующий список зон затопления с заданным объёмом воды.

Шаг 7. Рассчитаем перелив воды следующим образом. Если у проверяемой зоны водосбора есть родитель, то это значит, что перелива воды не будет, вода просто поднимется выше в родительскую зону затопления. Поэтому проверять на переполнение следует родительскую зону затопления. Если же у проверяемой зоны затопления нет родителя, то находятся узлы триангуляции T, через которые проходит контур зоны затопления. Именно через эти узлы вода будет переливаться в другие зоны водосбора. Находим для каждого такого узла смежные зоны водосбора и добавляем туда объём

перелившейся воды, пропорционально площади треугольника, моделирующего поток воды, движущийся в соответствующую зону водосбора. Здесь следует отметить, что часть воды так же будет выливаться за пределы поверхности. Таким образом, данная процедура продолжается до тех пор, пока не будет осуществлён перелив воды для всех зон затопления. После этого, в результирующий список зон затопления добавляются контуры обработанных на данном шаге родительских зон затопления, соответствующих максимальному уровню заполнения.

Конец алгоритма.

Трудоёмкость данного алгоритма составляет O(N∙C), где N - число узлов в триангуляции, а C - число рёбер перегиба. Трудоёмкость складывается из процедуры построения изоконтуров, которая имеет трудоёмкость O(N) и повторяется она для всех рёбер перегиба, т.е. C число раз [10].

С развитием информационных технологий на базе ранее разработанных приёмов были созданы новые ГИС, или же эти методы были интегрированы в программные модули существующих.

Интересную работы работу провели сотрудники Пермского государственного университета по геоинформационному моделированию зон затопления территории в нижнем бьефе водохранилищ при пропуске половодий и паводков высокой обеспеченности.

Моделирование затопления территории в нижнем бьефе мелководных водохранилищ, дав пропуске половодий и паводков обеспеченностью 0.1, 1 и 5% проводилось с использованием геоинформационных систем (ГИС).

Исходной информацией при моделировании выступали проектные материалы, натурные обследования и цифровые модели рельефа (ЦМР), построенные на основе данных, взятых с крупномасштабных карт (Масштабы: 1:50 000 -1:10 000).

В качестве программного обеспечения использовалась ГИС ArcView GIS (v. 3.2a). Этот выбор обоснован широким применением данной ГИС при принятии управленческих решении" системе органов государственной власти Пермской области.

При моделировании использовались функциональные возможности внешнего модуля ArcView Spatial Analyst. Он позволяет создавать, отображать и анализировать растровые данные (GRID, грид-данные), которые особенно удобны для моделирования географических процессов и явлений, непрерывных в пространстве. GRID (или регулярная сеть) - это решетка, используемая для разбиения земной поверхности на ячейки в регулярно-ячеистом представлении пространственных объектов аналогично растру в их растровом представлении. В свою очередь, регулярно-ячеистое представление - это цифровое представление пространственных объектов в виде совокупности ячеек регулярной сети с присвоенными им значениями класса объекта (высоты). Для моделирования зон затопления территории в нижнем бьефе водохранилища при пpoпуске половодий и паводков высокой обеспеченности использовались цифровая модель рельефа (ЦМР). В качестве ЦМР выступала GRID-модель - средство цифрового представления пространственных объектов (поверхностей, рельефов) в виде трехмерных данных, совокупности высот (координаты Z) в узлах регулярной сети с образованием матрицы высот. Моделирование осуществлялось следующим образом: по всей длине реки в нижнем бьефе водохранилища территория разбивалась на дискретное количество секторов (полигонов) перпендикулярно направлению течения реки. Каждому полигону присваивалось значение отметки уреза воды, находящейся в его пределах. Если же значения уреза воды не существовало на карте, то между имеющимися отметками производилась интерполяция. В зависимости от перепада высот шаг значений, присваиваемых полигонам, составлял 10-20 см. Полигональная преобразовывалась в GRID ("GRID В"). ЦМР так же представляла собой GRID-модель GRID А"). Разность "GRID А" - "GRID В" посредством картографического калькулятора сравнивалась с определенной высотой подъема воды в реке, которая зависела от процента обеспеченности пропускаемых половодий и паводков. Результатом этой операции над грид-данными становилась зона затопления территории при прохождении половодий и паводков определенной обеспеченности. Определение зон затопления в нижнем бьефе водохранилищ при пропуске половодий и паводков высокой обеспеченности позволило рассчитать площади затопляемых территорий, составить перечень объектов жилого фонда, экономики и социальной инфраструктуры, попасших в данные зоны. На основе результатов моделирования разработаны замечания и предложения по эксплуатации исследуемых водохранилищ. Моделирование затопления территории дает возможность определить потенциальную чину экономического и экологического ущерба [11].

К ГИС, основной функцией которых является моделирование зон затопления, можно отнести MIKE 11. Данная ГИС моделирует карты затоплений, рассчитывает скорости и глубины разлива рек и каналов. MIKE 11 также используется для моделирования поверхностного стока, гидравлического режима, транспорта наносов и примесей и специальных аспектов качества воды в системах рек и каналов. Использование MIKE 11 облегчает принятие решений в управлении речными водными ресурсами, особенно во время половодий и паводков. С помощью специально разработанного интерфейса MIKE 11 GIS данные и результаты проектов могут быть перенесены в среду геоинформационной системы ArcView GIS (Рисунок 2.2). Совмещение результатов модельных расчетов MIKE 11 с ГИС технологией позволяет получать карты глубин, площадей и длительности затопления территории, а также карты сравнительного анализа. Карты затоплений формируются с помощью эффективной интерполяционной процедуры. Набор карт может быть продемонстрирован в виде анимации.

Рисунок 2.2. Вид пользовательского интерфейса MIKE 11 GIS [12]

MIKE 11 GIS также воспроизводит графики хода уровней воды, профили земной и водной поверхности, создает статистическую информацию по зонам затопления.

Топографический модуль GIS позволяет с высокой точностью автоматически получать данные о топографии пойменных участков рек из цифровых моделей местности. Полученные данные (поперечные сечения и площади поверхности) могут быть сразу импортированы в базы данных MIKE 11.

Среди основных функций данного ГИС можно выделить:

Моделирование работы каскада водохранилищ;

Прогнозирование экстремальных паводков и половодий;

Моделирование работы водопропускных гидротехнических сооружений;

Расчет прорыва напорного фронта плотин и моделирование его гидрологических последствий для речной долины;

Выявление характерной заносимости отдельных участков реки влекомыми наносами;

Прогноз изменения качества воды в реке при изменении режимов водопользования и сбросов загрязняющих стоков [12].

4. ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ЗОН ЗАТОПЛЕНИЯ ПОЛОВОДЬЯ 2012 ГОДА НА УЧАСТКЕ РЕКИ БОЛЬШОЙ ИРГИЗ

Моделирование зон затопления территории участка реки Большой Иргиз в районе города Пугачёва производилось в ГИС пакетах ArcView 9.3.1, а так же MapInfo Professional 8.5. По карте масштаба 1:100 000 были оцифрованы горизонтали, затем по ним в программном модуле ArcMap построена TIN модель рельефа, которая в свою очередь была трансформирована в GRID (Рисунок 4.1).

Рис.4.1 Цифровая модель рельефа (GRID) [составлено автором]

Для драпировки цифровой модели местности была использована растровая топографическая карта масштаба 1: 100 000, сшитая из двух листов в программном продукте Global Mapper 13.1. Там же она была переведена в формат geotiff (Рисунок 4.2). С помощью инструмента "Заполнение" из раздела "Гидрология" программного модуля Spatial Analist были построены зоны затопления. Границы их были определены через каждые 100 см от зимнего меженного уровня воды в реке (22,5 м над у.м.) (Рисунок 4.3).

Рис.4.2 Слой драпировки ЦМР [составлено автором]

Рис. 4.3 Зоны затопления, построенные с помощью инструмента "Заполнение" [составлено автором]

Затем была произведена векторизация границ зон затопления в программном продукте MapInfo для дальнейшего их применения при оценке последствий половодья 2012 года. На основе полученных данных была создана карта зон затопления (Приложение А).

Для наибольшей наглядности все слои были переведены в программный модуль ArcScene, где, помимо топографической карты был добавлен слой отображающий сооружения (Рисунок 4.4). Произведен облёт исследуемой территории и показано измененение границ зон затопления (Приложение Б).

Рис. 4.4 Облёт территории в программном модуле ArcScene

Визуально по космоснимку масштаба 1:10000 было определено количество сооружений, попадающих в зоны затопления, при подъёме уровня воды от меженного на 100, 200, 300, 400, 650 см. При подъёме уровня воды до 23,5, 24,5 м ни одного здания в зону затопления не попадает, при 25,5 м в зону подтопления попадают населённые пункты Варваровка, Толстовка, Беленка и Каменка. При уровне воды 26,5 м попадает в зону затопления 65 жилых и 1 промышленное сооружения в г.Пугачёве, Беленка полностью затоплена. По данным об уровне воды половодья 2012 года в зону затопления попадает 239 жилых зданий, 1 промышленное в г.Пугачёв, населённые пункты Каменка и Давыдовка могут быть затоплены примерно на 50%, а Толстовка и Варваровка более чем на 80%, полностью затоплена трасса местного значения Пугачёв-Перелюб (Рисунок 4.5). Полученные результаты частично были подтверждены [13].

Рис. 4.5 Определение количества сооружений, находящихся в зоне затопления [cоставлено автором]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения курсовой работы были выявлены основные факторы, определяющие уровенный режим рек, а также масштабы половодий.

В ходе работы были выделены основные методы прогнозирования наивысших уровней воды. Произведена характеристика половодья на реках Саратовской области в 2012 году. Рассмотрены геометрический, а также геоинформационный, методы моделирования зон затоплений.

С помощью программного обеспечения ArcView 9.3.1 и MapInfo 8.5 была построена цифровая модель рельефа. На её основе определены границы зон затопления, а также количество сооружений, попадающих в эти зоны при различных уровнях воды.

В дипломной работе планируется создание геоинформационной системы, позволяющей моделировать зоны затопления одной из рек Саратовской области в реальном времени, с использованием баз данных гидрологических характеристик, с целью оперативного прогнозирования масштабов половодий и паводков.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Важнов А. Н. Гидрология рек. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1976. - 239 с.

2. Троицкий В. А. Гидрологическое районирование СССР. М.; Л.: АН СССР, 1948. - 111 с.

3. Чеботарёв А.И. Общая гидрология. Лен.: Гидрометеоиздат. 1975 - 543 с.

4. Михайлов В.Н., Добровольский А.Д., Добролюбов С.А. Гидрология: Учебник для вузов. - 3-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2008. - 463 с.

5. Ресурсы поверхностных вод СССР. Основные гидрологические характеристики. Том 12. Нижнее Поволжье и Западный Казахстан. Выпуск 1. Лен.:Гидрометеоиздат , 1966 - 487 с.

6. Бизнес-портал Регион 64 [Электронный ресурс]: статья "Реки Саратовской области". Материалы: Тулокина Григория, Муратова Дамира, Кудряшова Александра. Научные руководители: Горбовская Татьяна Владимировна, Сумина Галина Алексеевна. - Режим доступа: http://www.region64.ru/saratov/reki/volga

7. Фотогалерея города Пугачёва. Статья "Половодье 2012г.". - Режим доступа: http://www.pg4.ru/main.php?g2_itemId=252631

8. СП 33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. Москва, 2003

9. Портал МЧС России [Электронный ресурс]: статья "Весеннее половодье на территории Саратовской области в 2012 году". - Режим доступа: http://www.64.mchs.gov.ru/forecasts/detail.php?ID=18307

10. Геометрический подход для решения задачи расчёта зон затопления. Н.С. Мирза. Томск: Томский государственный университет, 2007 - 8 с.

11. Портал ГИС центра Пермского государственного университета [Электронный ресурс]: Шавнина Ю.Н. Геоинформационное моделирование зон затопления территории в нижнем бьефе водохранилищ при пропуске половодий и паводков высокой обеспеченности. - Режим доступа: http://gis.psu.ru/?m=45&info=101&type=1

12. Информационный портал НКФ Волга [Электронный ресурс]: Описание программы MIKE 11. - Режим доступа: http://www.volgaltd.ru/rus/programs/program/?id=3

13. Информационно-развлекательный сайт города Пугачева [Электронный ресурс]: Паводок 2012. - Режим доступа: http://ipugachev.ru/?p=473