Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методические подходы к созданию инженерно гидрологических ГИС 19
1.1. Определения и термины, используемые в понятии о гидрологических ГИС 19
1.2. Современное состояние и актуальность применения ГИС в гидрологии 22
1.3. Методические подходы к созданию гидрологических ГИС 27
1.4. Особенности технологии создания ГГИС 43
1.5. Выводы 51
Глава 2. Универсальная цифровая модель местности (УЦММ) для задач инженерной гидрологии 52
2.1. Цифровые картографические данные, используемые в УЦММ и методики их создания 52
2.2. Технология создания ЦМР для УЦММ 69
2.3. Блок расчета и пространственной интерполяции полей гидрометеорологических элементов 109
2.5. Выводы 131
Глава 3. Методическое обеспечение структуризации местности и поэлементного расчета ее гидрологических характеристик 133
3.1. Блок выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора 133
3.2. Блок вычисления характеристик речного водосбора и его расчетных элементов 156
3.3. Технология создания псевдорельефа для решения проблемы отсутствия цифровых карт крупного масштаба 186
3.4. Выводы 205
Глава 4. Универсальная модель ГГИС 207
4.1. Объекты и процессы ГГИС 207
4.2. Основные блоки ГГИС 219
4.3. Программные средства, используемые при реализации универсальной модели ГГИС 221
4.4. Универсальная модель ГГИС 223
4.5. Блок оценки характеристик затопления паводками и волной прорыва плотины с помощью ГИС - пример реализации механизма адаптации путем синтеза 226
4.6. Блок оценки параметров стока - пример реализации механзма адаптации путем создания отдельных программных комплексов 237
4.7. Выводы 257
Глава 5. Предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС 259
5.1. Примеры использования ГГИС при расчетах русловой трансформации 259
5.2. Использование ГГИС для ведения реестра водных объектов и водохозяйственных расчетов 266
5.3. ГГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности 292
5.4. Приложения ГГИС для расчета волны прорыва 308
5.5. Выводы 320
Глава 6. Апробация ГГИС-приложений 323
6.1. Достаточность и достоверность положений предлагаемой технологии 323
6.2. Решение с использованием ГГИС задач оценки водного и гидрохимического стока и проведения водохозяйственных расчетов 327
6.3. Решение с использованием ГГИС задач расчета затопления паводком различной повторяемости и волной прорыва при разрушении ГТС 342
6.4. Решение с использованием ГГИС реестровых задач 350
6.5. Выводы 351
Заключение 352
Литература 355
- Современное состояние и актуальность применения ГИС в гидрологии
- Блок выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора
- Блок оценки параметров стока - пример реализации механзма адаптации путем создания отдельных программных комплексов
- Решение с использованием ГГИС задач расчета затопления паводком различной повторяемости и волной прорыва при разрушении ГТС
Введение к работе
Актуальность работы.
В последние десятилетия геоинформационные системы стремительно проникают практически во все сферы человеческой деятельности, связанные с пространственным анализом и моделированием природопользователъских процессов Задачи построения геоинформационпых структур, функций и методов управления данными, их анализа, приспособленных для обработки разнородных, неупорядоченных потоков информации в предметных областях, стали важнейшими в геоинформатике Инженерная гидрология является одним из потенциальных потребителей геоинформационных технологий, что обусловлено большими объемами используемой в ней пространственной информации, сложностью и специфичностью ее обработки
Проблемой инженерной гидрологии является отсутствие единого, масштабированного, открытого для исследователей и пользователей-гидрологов, информационного банка, характеризующего состояние гидроресурсов территории и их использование Источіпік этой проблемы - разбросанность про-страпствепных и мониторинговых даїшьк по ведомствам, их неполнота, отсутствие систематичности, несогласоваїшость, а также усложненный порядок доступа к существующей информации Такое состояние дел усугу бляется неадекватностью используемых гидрологических моделей для обработки современных массивов данных и оісутствием соответствующих техно по гай автоматизированного расчета пространственных гидрологических характеристик и структуризации территории Необходимо решение гидрологических задач в условиях минимума информации, чт требует их глубокой проработки и анализа с целью получения максимально возможной полноты рептеїшя
Отсутствие предметно-ориентированных геоинформационных моделей затрудняет решение основных задач гидрологии К ним относятся создание реестра водных объектов, оценка стока вод, характеристик затопления местности паводками и волной прорыва при разрушении і идротехнических сооружений (ГТС), характеристик водопользования и водообеспеченности территорий в водохозяйственных расчетах
В связи с этим необходима разработка методических подходов, геоинформационных моделей, методов и критериев построения предметно-ориентированных ГИС широкого и разномасштабного пространственного охвата инженерно-гидрологических задач (далее гидрологические ГИС или ГГИС) Создание таких ГГИС должно базироваться на комплексных методических, информационных и программных решениях, обеспечивающих эффек-тишгую реализацию задач инженерной гидрологии в рамках единого информационного поля Создание этого поля базируется на универсальных цифровых моделях местности (УЦММ), включающих цифровую модель рельефа (ЦМР) В связи с этим создание геоинформационных систем в инженерной
гидрологии на основе современных типовых ГИС является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение
Результаты диссертационной работы являются обобщением десятилетних исследований и разработок автора в области ГИС-технологий и их приложений Диссертационные исследования выполнялись в течение 1999-2005 гг в рамках госбюджетной темы «Гидрологические и экологические процессы в речных системах и их водосборных бассейнах в различных природных зонах Сибири», интеграционных проектов и хоздоговорных работ ИВЭП СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий", гранта РФФИ 99-05-64600
Объектом исследования являются взаимосвязанные параметры гидрологического объекта (река, речная система, озеро), интегрируемые в рамках специализированной геоинформационной системы
Предметом исследования является геоинформационная система в инженерной гидрологии
Цель диссертации заключается в разработке комплексного обеспечения рациональных решений задач инженерной гидрологии на основе специа-лизировагашх ГИС, их аналитического аппарата и программных решений в форме ГТИС-приложений
Основная идея работы заключается в создании единой информационно-функциональной среды, обеспечивающей эффективный доступ к разнородным и разномасштабным гидрометеорологическим, топографическим, ландшафтным и тематическим данным и их обработку с учетом конкретики реализации задач инженерной гидрологии в ГГИС - приложениях
Задачи исследования
-
разработать и обосновать методические подходы к созданию ГГИС,
-
создать единую информационную основу задач инженерной гидрологии -универсальную цифровую модель местности (УЦММ),
-
разработать алгоритмы структуризации местности, поэлементного расчета ее гидрологических характеристик и оценить влияние шага дискретизации и масштаба исходных данных на корректность расчета,
-
построить универсальную модель ГГИС для решения задач инженерной гидрологии,
-
разработать предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС-приложений,
-
апробировать созданные ГГИС - приложения на задачах инженерной гидрологии
Методы исследования:
методы системного анализа и функционального моделирования - для обоснования подхода к построению универсальной модели ГГИС и УЦММ,
методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерной обработки данных, картографической алгебры, включая интерполяцию пространственных данных, - для решения задач разработки и реализации
УЦММ, в том числе расчета полей гидрометеорологических характеристик, структуризации местности,
методы проектирования концептуальных и логических схем БД, орга
низации информационных сред и доступа к ним, методы сбора, хранения,
преобразования и отображения пространственно-распределенных данных —
для создания ГГИС-приложений
Основные научные положения, защищаемые автором:
-
Создание ГГИС в условиях неполноты и затруднешю го доступа к информации о гидрологическом состоянии территории должно основываться на адаптации к задачам инженерной гидрологии подхода, ориентированного на данные
-
Целевая установка и принцип гидрологической согласованности определяют необходимые условия, а ГИС-интеграция информационных потоков топографических данных, ДДЗ, фондовых и мониторинговых данных и их производных - достаточные условия построения УЦММ
-
Введение критерия структуризации территории и ючности расчета ее гид-ролоіических характеристик обеспечивает рациональный выбор параметров УЦММ — шага дискретизации и масштаба
-
Выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС
-
Целенаправленное объединение функциональных единиц согласно предметно ориентированным программным решениям создает необходимые условия адаптации ГГИС к широкому круїу задач инженерной гидрологии в форме ГГИС -приложении
-
Реализация ГГИС в форме ГГИС - приложений снижает непроизводительные затраты и повышает качество обработки информации, по сравнению с і иловыми ГИС, обеспечивая адекватность принимаемых пользователями-гидрологами решений
Достоверность паучных положений обеспечивается
использованием широко апробированных методов проектирования гсоин-формационных систем, методов картографической алгебры и методик гидрологических расчетов,
преимуществами разработанных цифровых моделей рельефа и моделей гидрометеорологических характеристик над известными аналогами вследствие расширеніи номенклатуры исходных данных, по сравнению с известными методическими подходами, и корректностью использования пространственных зависимостей исследуемых величин, полученных на основе апробированных моделей,
допустимым расхождением цифровых моделей с точным картографическим расчетом по картам крупного масштаба,
сравнением полученных распределений величин (солнечной радиации) с известными аналитическими результатами (расхождение не более 4-10 %),
результатами практического применения созданных ГТИС-приложений
для водных объектов бассейна Верхней Оби
Научная новизна работы заключается в следующем
Разработаны методические подходы к построению предметно-ориентированных ГТИС для решения задач инженерной гидрологии, отличающиеся от существующих учетом региональной специфики (доступность и тип исходных данных, особенности региональных методик гидрологических расчетов)
Создана универсальная цифровая модель местности, отличающаяся много-масштабностью и разнородностью цифровых картофафических материалов и способами целевой интеграции и использованием этих материалов в инженерно-гидрологических расчетах В ее рамках предложен подход к расчету полей гидрометеоэлемептов средствами картофафичсской алгебры, основанный на разделении методов интерполяции по масштабу пространственной неоднородности
Введен критерий рационального выбора параметров УЦММ (шаг дискретизации и масштаб данных) для расчета характеристик территории и разработаны методики расчета ряда характеристик (уклон речной сети, длина склонов и др )
Построена универсальная модель ГТИС, основанная на комплексном использовании данных полевых исследований и ДЗ, картографических и архивных данных Модель обладает механизмами адаптации к типу и объему используемой информации в условиях ее недостаточности
Разработаны программные решения для типовых задач инженерной гидрологии, включая реестр водных объектов, оценку стока вод и характеристик затопления, водопользования и водообеспеченности территорий Решения отличаются механизмами настройки на тип имеющихся исходных данных
Созданные ГТИС - приложения (их методический аппарат и структуры) апробированы в ходе комплексных полномасштабных испытаний на водных объектах бассейна Верхней Оби, в результате которых была получена новая информация об их динамическом состоянии (водохозяйственные характеристики, зоны затопления паводками, реестр водных объектов и др )
Научное значение работы состоит в создании методического обеспечения для построения адаптивных специализированных ГИС, предметно-ориентированных на решение задач инженерной гидрологии, реализация которых базируется на созданном универсальном геоинформационном инструменте - УЦММ посредством развития функциональных единиц, оперирующих разнородными и разномасштабными данными
Практическая ценность работы состоит в следующем
Предложены подходы к интеграции разномасштабных и разнородных век
торных и растровых топофафических данных и ДДЗ, которые на порядок
снижают затраты на решение гидрологических задач при отсутствии цифро
вых данных по рельефу крупного масштаба
Даны рекомендации по созданию УЦММ для различных типов гидрологических расчетов, которые минимизируют объем работ по созданию цифровых картографических материалов На основе интерполяции полей гидрометеорологических величин с учетом ландшафтной зависимости получены недостающие данные для бассейна реки Бия
Создано программное обеспечение (ПО) для расчета максимального стока изученных и неизученных рек ("Гидростатистика" и "Паводок&Половодье"), параметров водосборов ("Smpcalc") и расхода реки в створах ("Морфоствор"), оценки затоплеїшя волной прорыва при разрушении ГТС ("Floodcalc"), а также "Реестр водных объектов", ориентированное на пользователя-гидролога
Разработаны методические рекомендации по целевому построению ГГИС пользователем-гидрологом, ориентирующие его на комплексное решение задач на основе базового класса Рекомендации охватывают задачи оценки русловой трансформации и максимального стока, построения полей гидрометео-элсментов и оценки зон затопления паводком, волной прорыва, вклада территории в гидрохимический сток, а также подготовки первичных дагаплх
Личный вклад а» гора.
Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в лаборатории гидрологии и геоинформатики Института водных и экологических проблем СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий" в рамках обозначенных ранее тем, по которым автор являлся научным руково-дитечем (или соруководителем) и/или огвсіствешп>гм исполнителем Защищаемые и составляющие новизігу результаты получены лично автором К результатам, приведешіьім в содержательной части, полученным в неделимом соавторстве, относятся методики учета дополнительной информации при создании ЦМР и расчета гидрологических характеристик подстилающей поверхности, критерии структуризации территории и точности расчета ее гидрологических характеристик, модель уровней водной поверхности для оцеїжи зон затопления в паводок (совместно с Постновой И С ), программные решения для основных задач инженерной гидрологии (выполнены совместно с коллективами указанных органгоаций)
Реализация результатов работы
Разработанное ПО "Гидростатистика", "Паводок&Половодье", "Морфоствор", "Smpcalc", "Floodcalc", "Реестр водных объектов" применяются в организациях ОАО "Алтайавтодор", ОАО "Алтайводпроект", ОАО "ТомскНИПИ-Нефть ВНК", ОАО "ГорноАлтайскавтодор", ОАО "Сибгипротранс ", ИВЭП СО РАН, ИГ СО РАН, ИУУ СО РАН, Верхне-Обском БВУ, Кемеровском ГУПР, Алтайском ГУПР и ряде других
Апробация результатов работы. Основные результаты работы, отдельные се положения докладывались на научном семинаре ИВЭП СО РАН, региональных научных и научно-практических конференциях и совещаниях, конференциях всероссийского и международного уровня, из которых приведем последние Международные научные конференции «Проблема устойчи-
вого развития общества и эволюция жизненных сил населения Сибири на рубеже XX - XXI веков» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 4» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 5» (Якутск, 1999), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), ENVTROMIS 2002 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2002), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 8» (Санкт-Петербург, 2002), по проблемам рек Обь-Иртышского бассейна (Усть-Каменогорск, 2003), "Society and Environment International under Global and Regional Changes" (Москва-Барнаул, 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 9» (Новороссийск-Севастополь 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий Intercarto 10» (Владивосток-Чаньчунь, 2004), ENVIROMIS 2006 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2006) IX Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004), Международная научно -практическая конференция "Геоинформатика-2000" (Томск, 2000), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2005" (Новосибирск, 2005), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2007" (Новосибирск, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде Cites - 2005 (Новосибирск, 2005), а также Всероссийские научные конференции "Экология ландшафта и планирование землепользования", (Иркутск, 2000), "Современные проблемы стохастической гидрологии" (Москва, 2001) Научная конференция "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005)
Публикации. Автором опубликовано 89 работ Основное содержание диссертации изложено в 46 публикациях, в том числе в 1 монографии, 8 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 4 свидетельствах на программные продукты, зарегистрированных в РОСАПО
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, б глав, заключения, 5 приложений, библиографии из 257 наименований, 73 рисунков и 36 таблиц Общий объем работы - 408 страниц
Автор выражает глубокую благодарность В А Жорову, В П Потапову и В Т Преслеру за многочисленные обсуждения и поддержку при выполнении работы, а также свою признательность всем соавторам и сотрудникам ИВЭП СО РАН и ЗАО "ЦИТ", оказавшим неоценимую помощь на различных этапах работы
Современное состояние и актуальность применения ГИС в гидрологии
Интенсивное развитие геоинформационных технологий, создание и расширение баз цифровых данных о параметрах природных систем, возникновение на этой основе новых возможностей обработки и анализа информации поставило перед специалистами, обеспечивающими внедрение информационных технологий, задачу по созданию технологии применения ГИС в природопользовании, и, в том числе, в инженерной гидрологии. Совершенно естественно, что применение ГИС наиболее эффективно и оправданно в тех задачах инженерной гидрологии, которые прямым или опосредствованным образом задействуют большой объем информации о территориальном распределении параметров, влияющих на их решение.
В зарубежной гидрологии к настоящему времени сформировался определенный круг задач, для выполнения которых желательно задействование ГИС. К ним относятся:
1. Подготовка первичных данных в форме полей и рядов путем обработки ДДЗ, интерполяции данных сетевых наблюдений или расчета из других данных;
2. Расчет деления территории на гидрологические единицы с использованием ЦМР и цифровых карт и вычисление параметров гидрологических единиц;
3. Пространственный анализ гидрологических данных и моделирование;
4. Визуализация пространственных результатов моделирования.
В рамках этих задач ГИС обеспечивает выполнение следующих специфических для гидрологических приложений подзадач (см. [153, 161, 186]):
- расчет по данным ДДЗ полей дождевых осадков, испарения, насыщенности почвы влагой, снежного покрова, уровня подземных вод;
- подготовка по данным ДДЗ и топографическим картам цифровых карт ландшафной структуры местности (в том числе водоемы, почвы, растительность) ;
- интерполяция по данным сетевых измерений полей дождевых осадков [152], насыщенности почвы влагой [205], уровней подземных вод [176];
- построение ЦМР и расчет по ней полей уклонов, экспозиций, отмывки рельефа [178], продолжительности освещения солнцем и мгновенного потока прямой солнечной радиации [187];
- определение по ЦМР водосборного деления [184, 185], направлений стока [172, 185, 195], аккумуляции стока и дренажа (расчетной речной сети) [195], ранжировка дренажа по Стралеру [159] и другим методам,
- расчет для водосбора по ЦМР ареаграфической кривой или кривой добегания для постоянной скорости добегания (time-area diagram [211, 219]), необходимой для моделирования стока по методу единичного гидрографа (см., например, [181]);
- определение по ЦМР затопления территории при наводнении (по уровням водной поверхности, рассчитанным с помощью специальных программных кодов, моделирующих двумерную динамику водной поверхности) [215, 223];
- моделирование динамики подземных вод [371];
- оценки по специализированным моделям эрозии [183] и качества поверхностных вод [225, 226].
В России к кругу таких задач в инженерной гидрологии суши следует отнести в первую очередь задачу оценки стока с изученной2 и неизученной территории, в том числе водосбора отдельной реки, необходимую для оценки водной обеспеченности региона, задачу вычисления водохозяйственных характеристик территории, задачу оценки влияния стока на конкретные природные объекты, выражающегося, прежде всего, в процессах русловой деформации , подтопления и затопления территории [84]. Оценка характеристик описанных процессов является очень важной и практически значимой для экономики в силу высокой стоимости потерь при их неконтролируемом прохождении.
Вторым классом задач, решение которых требует внедрения ГИС, является создание информационно - аналитических систем, в том числе реестровых, аккумулирующих информацию о водных объектах, включающих как естественные водные объекты (реки, озера, ледники и т.п.), так и различные гидротехнические сооружения (плотины, водохранилища, дамбы, гидроотвалы, отстойники и т.п.), см., например, работы [38, 49] и др.
Необходимость автоматизации ведения реестровых систем видна, хотя бы из следующего численного примера [75]. В таком относительно небольшом регионе как Алтайский край протекает 17 085 рек общей протяженностью 51 004 км, из них 16 309 - длиной менее 10 км, 776 - длиной более 10 км (в том числе: 32 - протяженностью более 100 км, 3 - более 500 км). На территории края более 11 000 озер, из них свыше 230 площа-дью более 1 км . Разумеется, для ведения банка данных и анализа информации по такому количеству водных объектов необходимо наличие специализированных приложений имеющихся програмнных продуктов (ГИС и СУБД).
В целом этапы развития применения ГИС в гидрологии коррелируют с этапами внедрения компьютерной картографии в мире, приведенными в обзоре ([54], с. 10-15). Современный период развития начался в 80-е годы прошлого века и характеризуется, прежде всего, расширением сферы применения ГИС и развитием многоцелевых систем, интеграцией данных и развитием сетевых решений в области доступа к данным и их анализа. В настоящее время большинство систем для гидрологических расчетов в США и Европе включают ГИС - препроцессоры для подготовки данных и ГИС-вьюеры для просмотра результатов расчетов или полностью реализованы на базе стандартных ГИС [153, 161]. За рубежом пакеты ГИС рассматриваются не только в качестве инструмента для подготовки данных и их визуализации, но и как основа для реализации распределенных гидрологических моделей. Основополагающими работами для создания современной идеологии разработки таких ГИС явились работы ряда ведущих специалистов в области геоинформационных систем, гидрологии, обработки пространственно распределенных данных, в первую очередь Hutchinson M.F., Maidment D.R., Tomlin CD.
В России до 2003 года алгоритмы и методика расчета большей части специфицированных инженерно-гидрологических задач была сосредоточена в СНиПах [58, 100], а в настоящее время в Своде правил по проектированию и строительству [101]. Программные системы, осуществляющие полнофункциональную автоматизацию решения этих задач на основе ГИС, до 2000 года практически отсутствовали, что обусловлено общим низким уровнем автоматизации и компьютеризации инженерной гидрологии. Адаптация методик к существующим обширным массивам цифровой картографической информации о территории и ДДЗ до настоящего времени не произведена, большинство характеристик территориального распределения гидрологических параметров определялись и определяются по бумажным картам вручную. Ситуация с медленным внедрением ГИС для решения гидрологических задач в России не в последнюю очередь объясняется как потребностью значительных финансовых вложений в закупку необходимых объемов метеорологической, спутниковой и картографической информации, так и неинформированностью профессиональных гидрологов о современных возможностях геоинформационных систем, цифровой картографии. Поэтому решение задачи по обоснованию и созданию универсальной модели ГГИС, обеспечивающей решение основных гидрологических задач, есть один из важных шагов в преодолении данной ситуации. Вторым важным шагом является разработка предметно ориентированных программных решений для предметной реализации ГГИС в специфицированных областях инженерной гидрологии. Эти задачи и определяют основные направления диссертационного исследования.
Блок выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора
Задача определения структурных и расчетных элементов территории стредствами EML ГИС по УЦММ составляет сущность блока ГГИС выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора. Под структурными элементами понимаются структурные элементы рельефа, важные для гидрологических расчетов. Автоматизированное определение их проводится с использованием ЦМР. Для обсуждения вопросов расчета структурных элементов необходимо ввести основные понятия: элемент рельефа и форма рельефа. Элементы рельефа - простейшие части, из которых строятся различные его формы. Выделяются следующие основные структурные элементы рельефа [30]:
1) характерные точки - вершина, седловина, слияние, дно;
2) структурные линии - подошва, бровка, тальвег (связан с формой рельефа "лощина"), водораздел (связан с формой рельефа "гребень").
Можно видеть, что инверсия рельефа (присвоение в каждой точке значения высоты, равного первоначальному, взятому с обратным знаком) Н— -Н приводит к тому, что положение структурных линий и характерных точек сохраняется, но происходит их переопределение (см. таблица 3.1).
Такая симметрия позволяет более простым образом рассчитывать структурные линии и точки исходной ЦМР путем перехода к инвертиро-ванной ЦМР . Возможности расчетов структурных элементов в ГГИС для растрового и триангуляционного представления ЦМР несколько отличаются. Для растровой модели рельефа существуют встроенные алгоримы определения водосборного деления территории, что делает удобным определение большинства структурных элементов для гидрологических расчетов с помощью грид моделей. При использовании растровой ЦМР для расчета структурных элементов рельефа необходима оценка влияния дискретности представления рельефа (размера ячейки расчетных пространственных сеток) и масштаба исходной картоосновы.
В случае, если исходная ЦМР имеет триангуляционную форму или создается по векторным данным, использование растровой модели может приводить к некорректному определению положения структурных линий из-за ошибок растеризации или интерполяции. В этом случае может оказаться удобнее проводить определение по триангуляционной модели.
В рассматриваемых в настоящей работе задачах инженерной гидрологии используется разделение территории на расчетные элементы следующих типов:
1) склоновая часть, русловая часть;
2) зоны постоянной длины добегания;
3) водосборы, в том числе отдельно левый и правый.
4) водоохранные зоны.
Некоторые из данных элементов связаны со структурными элементами рельефа, но имеют свою специфику, требующую создания специальных алгоритмов их вычисления.
Расширение Hydrologic Modeling 1.1 дополнительно позволяет идентифицировать депрессии (sinks), вычислять площадь, периметр, параметры формы для каждого водосбора, создаваемого операцией Watershed, рассчитывать положение центров тяжести водосборов, а также дренажную сеть, основываясь на критическом значении FaccKpm (см. п. 2.2.3). На основе рассчитанного водосборного деления территории возможен расчет средней высоты, уклона и некоторых других параметров водосбора.
Следует отметить, что принцип определения местоположения точек дна операцией Sink на растровой ЦМР (см. Приложен-ие 4) может быть использован для определения местоположения точек вершин, что реализуется той же операцией на инвертированной ЦМР. В Arc/Info может быть использован оператор HIGH LOW. Определение контуров тальвегов и водоразделов
Контуры водораздельного деления могут быть определены из условия равенства нулю аккумуляции стока в ячейках, составляющих их. Рассчитываемая по данному алгоритму водораздельная линия, как правило, имеет толщину две ячейки (по одной на каждую сторону хребта). По этой причине расчетный грид должен быть также обработан операцией Thin , позволяющей получить "толщину" линии не больше одной ячейки. Результирующий грид может быть преобразован в векторный формат в Arc View или Arc/Info.
Главной проблемой является наличие сдвоенных линий там, где профильная крутизна вдоль хребта больше, чем склоновая крутизна.
Блок оценки параметров стока - пример реализации механзма адаптации путем создания отдельных программных комплексов
Оценка стока с изученных и неизученных территорий - наиболее часто проводимый тип расчетов в инженерной гидрологии. Эта задача часто встречается при проведении проектных и исследовательских работ для постройки различных сооружений, в том числе, гидротехнических, в поименно-русловой части водных объектов. В рамках разработки блока оценки стока ГГИС разработан ряд программных продуктов, позволяющих автоматизировать эти вычисления, в первую очередь, определение экстремальных характеристик гидрологического режима в произвольном створе реки на основе УЦММ (Рисунок 4.4).
Если створ совпадает со створом гидрологических наблюдений, то при наличии временных рядов гидрологических наблюдений автоматизированное определение таких характеристик может быть проведено, например, с помощью разработанной нами в соавторстве программы "Гидростатистика" [18,20,21] (см. раздел 4.6.2).
Поскольку створы часто не совпадают со створами гидрологических наблюдений, необходима оценка стока, формирующегося на неизученных участках. Такой расчет в настоящее время проводится с помощью метода аналогии [101] или, при отсутствии аналогов, с помощью методики СНиП [100]. Методика СНиП использует большой объем картографических и табличных данных, районирующих территорию России по гидрологическим режимам, и ряд гидроморфометрических и иных параметров водосбора исследуемой реки (см. раздел 4.6.3). Эти же параметры используются в методе аналогий при выборе аналога (если таковой существует) наряду с оценкой тесноты связи стоковых характеристик исследуемого водосбора и водосбора изученной реки-аналога. Программа "Паво-док&Половодье" [22,23] для расчета максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков неизученных рек (см. раздел 4.6.3), реализует методику [100] с использованием цифровых карт районирования территории России по гидрологическим режимам (см. таблица 4.1) и морфометри-ческих и картометрических характеристик, снимаемых пользователем с крупномасштабных карт самостоятельно (М 1: 200 000 и крупнее). При наличии цифровых карт на исследуемую территорию расчет этих данных может быть автоматизирован. В ИВЭП создано геоинформационное приложение "SnipCalc" (см. раздел 4.6.4) на базе ГИС ArcView, использующее расширения Spatyal Analyst и 3D Analyst и предназначенное для автоматизированного расчета параметров водосборов неизученных рек, необходимых для оценки максимального стока по СНиП и при выборе аналога по технологии [101] , а также очерчивания контуров самих водосборов по данному алгоритму [133].
Необходимо отметить, что, несмотря на введенные в 2003 году методические указания [101], в которых декларируется использование в качестве основного для расчета стока на неизученных территориях принципа аналогии, а при отсутствии реки-аналога - использование так называемых региональных методик, доля расчетов, проводимых с использованием более ранней технологии СниП [100], остается преобладающей. Такое положение дел обусловлено, в первую очередь, отсутствием для значительного числа территорий региональных методик. Авторы [91] рассмотрели основные проблемы создания автоматизированной региональной системы гидрологических расчетов на базе ГИС-технологий, сфокусировавшись, прежде всего, на нормативном аспекте проблемы, и предложили систему определения расчетных гидрологических характеристик, включающую три уровня: основные обязательные положения расчетов (технология, реализованная в виде СниП [100] и СП [101]), основные методы расчетов (свод правил) и конкретные строительные обобщения с целью определения расчетных гидрологических характеристик (территориальные строительные нормы). Рассмотренное в разделах 4.6.2-4.6.4 ПО блока оценки стока позволяет реализовать указанную систему для первых двух уровней расчетов, указанных в [91]. Как пример ГИС приложения, реализующего третий уровень [91], можно привести работу [4], авторы которой создали геоинформационную систему инструментального класса, позволяющую решить задачу составления фонового прогноза объема стока малых рек по авторской воднобалансовой методике [80] на основе материалов полевых исследований по запасам воды в снежном покрове, глубине промерзания почвы и влажности почвы совместно с ландшафтно-топографическими данными.
Описанные в разделах 4.6.2-4.6.4 программные продукты полностью автоматизируют задачу оценки экстремального стока и в комплексе составляют, наряду с УЦММ, блок оценки стока ГГИС. Необходимым требованием к ПО для оценки стока, поскольку оно принадлежит к классу расчетных ГГИС, является обеспечение независимой работы друг от друга, по возможности, отсутствие необходимости в использовании настольной ГИС, максимальная дружественность интерфейса пользователя, отсуствие требований к подготовке пользователя в области ГИС и ограничение числа выполняемых функций. Данным требованиям удалось в полной мере удовлетворить в ПО "Гидростатистика" и "Паводок&Половодье" и частично в программном приложении "SnipCalc". Наличие значительного объема картографических вычислений в последнем привело к необходимости использования функий EML ГИС Arcview.
Решение с использованием ГГИС задач расчета затопления паводком различной повторяемости и волной прорыва при разрушении ГТС
Разработка плана действий по устойчивому предупреждению наводнений и противопаводковых мероприятий на территории Кемеровской области, проведение гидрологических исследований участков в высокими уровнями паводков на р. Кондома, р.Кия, р.Мрас-Су (см., например, [243, 244, 246, 247, 248, 249, 252, 256]), оценка затопления территорий Алтайского края (см., например, [251]) задействовали функции блоков подготовки УЦММ, расчета структурного деления территории, расчета характеристик территории, оценки стока, расчета характеристик затопления, ГГИС приложений для расчета затопления паводком различной повторяемости, подготовки данных и расчета волны прорыва при разрушении ГТС, что позволило оценить опасность наводнений (см. рис.6.2) и рассчитать зоны затопления паводком различной повторяемости для участков рек в Кемеровской области, подготовить данные для расчета характеристик волны прорыва при разрушении ГТС и рассчитать зоны затопления ей для ряда ГТС Алтайского края. Одним из результатов расчетов стала выработка рекомендаций по созданию инженерных защитных сооружений для предотвращения ущерба от паводков, в том числе расчисток русла (см. рис. 6.3).
Результаты оценок зон затопления паводком сравнивались с полевыми измерениями и результатами расчетов с использованием точных цифровых моделей русла и специализированного программного обеспечения (см. рис.6.4). Результаты расчета характеристик затопления волной прорыва при разрушении ГТС сравнивались с результатами расчетов по другим методикам, в том числе В.В. Лебедева, института "Гидропроект" и методики, основанной на решении уравнения Сен-Венана (см. раздел 6.3.2.).
