CC BY
87
Вычислительные технологии
Том 11, часть 2, Специальный выпуск, 2006
РАЙОНИРОВАНИЕ ТЕРРИТОРИИ ПО СТЕПЕНИ ОПАСНОСТИ И ОЦЕНКА РИСКОВ НАВОДНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ
С. Г. Яковченко, И. С. Постнова, В. А. Жоров,
О. В. Ловцкая, В. О. Дмитриев Институт, водных и экологических проблем СО РАН, Барнаул, Россия e-mail: spartakOiwep.asu.ru, postnovaOiwep.asu.ru
Flooding leads to the serious damage and this is why the problem associated with flooding risk estimations for Western Siberian territories is rather actual today. In this paper we present a method of the flooding risk estimation and zoning of territories according to the flooding risks. Subsequent estimation of possible flooding has been done with the help of large-scale digital maps. The method is tested for Kondoma and Kiya river basins in the Kemerovskaya Region.
Введение
В статье рассматриваются методологические аспекты оценки риска наводнений на уровне отдельного региона с использованием геоинформационных систем (ГИС), Сущность рассматриваемой задачи — зонирование территорий, подверженных затоплению, и оценка характеристик затопления (повторяемость, уровень затопления). В основе оценки риска наводнений лежит расчет зон затопления при прогнозных расходах паводков (и соответствующих им уровнях воды) различной повторяемости. Решение данной задачи связано с определением стока на исследуемых участках реки и включает разномасштабный анализ характеристик территории. На первом этапе с использованием материалов стандартных сетевых наблюдений, полевых обследований, а также данных дистанционного зондирования (ДДЗ) и цифровых карт мелкого масштаба (М 1:500 ООО) проводится районирование территории по опасности наводнений. На втором этапе для территорий с высоким показателем опасности наводнений проводится расчет уровней, а по ним — зон затоплений с использованием цифровых карт крупного масштаба (М 1:25 000-1:50 000, М 1:20001:5000).
© Институт вычислительных технологий Сибирского отделения Российской академии наук, 2006.
Ї. Оценка стока
Оценка стока с изученных и неизученных территорий — наиболее часто проводимый тип расчетов в инженерной гидрологии. В рамках создания блока оценки стока в Институте водных и экологических проблем СО РАН разработан ряд программных продуктов, позволяющих автоматизировать эти вычисления, в первую очередь определение экстремальных характеристик гидрологического режима в произвольном створе реки па основе цифровых данных по территории и материалов гидрологического мониторинга (рис. 1). Если этот створ совпадает со створом гидрологических наблюдений, то при наличии временных рядов гидрологических наблюдений автоматизированное определение таких характеристик проводится программой “Гидростатистика” [1|. 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 [2| или при отсутствии аналогов с помощью методики [3|, которая использует большой объем картографических и табличных данных, районирующих территорию России но гидрологическим режимам, и ряд гидроморфометрических и иных иарамет-
щртвьес
-кЖ
нсбіоДЗіИі
У^ЦУРн
вжкрвя
щрзрфье
ааяоэь кр^інго
масШаба
Блок оценки стока ї
раза всдйосрпо;їіЕЕипєр[исріі в сирах шиашжх^нашщртшвдэж нЕШодаиі и
Р^сЧТНк СПЗСрВ (ПО "8п1рСа1е" ИТИ (ЦН41 ГО
рааржйкгганЕ)
^ 1 Іетрвван
наяраарсїая
тоганга
раза всдйосрнго дешя гврашрсв ндаосра в рожнм
СШСре(ПО "8п1рСа1е")
Орю гврашрсв ндшра го вжкрьм
каріам МЭКМИПазНГО
ряшршиї (по
"Паводок и Половодье") І
Оценка стока с территории
раж сиза нвиутасъ вщйосра
рЕвтинй гшсртпи (ПО "Паводок и Половодье")
В&асрье
ВЕрЯЫ
щршиес кто рашртан шшюо
масШаба
Рис. 1. Блок-схема оценки экстремального стока.
ров водосбора исследуемой реки. Эти же параметры используются в методе аналогий при выборе аналога (если таковой существует) наряду с оценкой тесноты связи стоковых характеристик. Программа “Паводок и Половодье” [4] для расчета максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков неизученных рек реализует методику [3], При наличии цифровых карт на исследуемую территорию входные данные для нее рассчитываются с помощью геоинформационного приложения “SnipCalc” на базе ГИС ArcView с расширениями Spatyal Analyst и 3D Analyst [5].
2. Мелкомасштабный анализ
Первый этап оценки риска наводнений включает мелкомасштабную оценку ситуации на региональном уровне, результатом которой является выбор территорий, наиболее подверженных опасности затопления. Для этого проводятся подготовка и критический анализ первичной гидрологической информации, в том числе:
— создание электронных баз данных ежедневных расходов и уровней воды по имеющимся постам стандартных сетевых наблюдений;
— удлинение коротких рядов наблюдений с применением статистических моделей (блок оценки стока);
— расчет различными статистическими методами характеристик максимальных расходов и уровней воды различной обеспеченности (1, 5, 20 и 50%) (блок оценки стока);
— по и о тпкн электронных карт населенных пунктов, подверженных опасности наводнений согласно архивным данным;
— по и о тпкн электронных карт контуров затопления по данным полевых обследований и среднемасштабным ДДЗ (Aster, Landsat и др.).
Методики районирования территорий по степени опасности наводнений в настоящее время еще недостаточно совершенны. Опасность наводнений характеризуется рядом общепринятых показателей: повторяемостью, средним превышением уровней над критическими (уровень выхода воды на пойму или начала подтопления населенных пунктов), длительностью стояния критических уровней, В качестве косвенного интегрального показателя опасности наводнений используется параметр M, вычисляемый по формуле
M = AHP AT,
где AH — среднее превышение максимальных уровней над критическим, м; AT — дли-
P
Районирование речных участков на основе данных показателей включает в себя построение карты местности с информацией о расположении и характеристиках гидростворов, Дополнительно подключается информация о контурах затопления по данным полевых обследований и ДДЗ, а также архивная информация. Результатом проведения мелкомасштабного анализа является карта территорий с высокой опасностью затопления и связанный с ней список населенных пунктов [6], Данное районирование является весьма условным и необходимо только для выделения паводкоопасных участков,
3. Крупномасштабный анализ
На этапе крупномасштабного анализа для территорий с высокой опасностью наводнений определяются зоны затопления паводками разной повторяемости. На данном этапе после-
довательно решаются три подзадачи:
— определение экстремальных характеристик стока в расчетных створах территории (блок оценки стока);
— расчет паводочных уровней;
— расчет зоны затопления (блок оценки характеристик затопления).
Подготовка данных для расчета зоны затопления включает прежде всего расчет цифровой модели рельефа (ЦМР) на исследуемую территорию по картографическим данным крупного масштаба с учетом обрывов, насыпей и дамб [7] и определение морфометрических характеристик поймы, в частности зависимости живого сечения и ширины водного потока от уровня затопления [8], Расчет по известным уровням зон затопления и определение их характеристик в ГНС является достаточно стандартной операцией [7, 9], Схема расчета уровней затопления паводком различной повторяемости представлена на рис. 2 [7, 10].
Необходимость применения различных методов расчета обусловлена имеющимися исходными данными и требованиями к точности расчета области затопления. В таблице приведен обзор способов расчета уровней затопления в ГИС и условий их применения.
В общем случае для расчета высот водной поверхности в опорных створах i зоны затопления по материалам гидрологических наблюдений необходимы кривые уровней Hi(Q) (Hi — абсолютная высота, волной поверхности у опорного створа i) и величина расчетного расхода Q [7, 12, 13].
При известном расчетном расходе различной обеспеченности, определенном средствами блока оценки параметров стока, по кривым Hi(Q) можно вычислить соответствующие уровни и определить зоны затопления. Кривые уровней рассчитываются по данным наблюдений или теоретически по известному поперечному профилю русла и коэффициенту шероховатости [13], что требует наличия данных русловой съемки рельефа дна и поймы. Для таких расчетов применяется программа “Морфоствор”, предназначенная для вычисления расхода реки в створах со сложной морфологией русла [11].
Рис. 2. Блок-схема расчета паводочных уровней в ГИС.
Обзор методов расчета уровней в створе при оценке зоны затопления паводком
Метод Описание Необходимые данные Область применения
Метод кривых уровней Расчет уровня в створе по расходам в пункте гидрологических наблюдений с использованием кривой уровней Н((5) Русловая съемка или данные наблюдений уровня и расхода в створе; материалы гидрологических наблюдений на пункте Общая
Метод превышений Расчет уровня в предположении равенства паводочных уклонов меженным и равенства превышения уровней над меженным Картографические материалы; материалы гидрологических наблюдений на пункте Морфометрические параметры долины в створах гидропункта и исследуемом должны быть подобны
Метод оценочных кривых уровней при наличии дополнительных данных Кривая уровней оценивается с использованием известных контура затопления и оценочного расхода на определенную дату Картографические материалы, возможно, материалы космической съемки рельефа; данные полевого обследования или космический снимок зоны затопления; материалы гидрологических наблюдений на пункте Паводочные живое сечение и уровни существенно превышают меженные
Большая стоимость проведения руслово-пойменной съемки и гидрометрических наблюдений в створах вынуждает на практике применять различные методы оценки кривой уровней или самих уровней, основанные на использовании материалов гидрологического мониторинга и данных по продольному профилю русла в межень, данных по рельефу поймы с цифровых карт и ДДЗ, что делает крайне необходимым подключение ГНС к расчетам, На рис, 3 приведен пример интеграции данных различных источников для расчета зон затопления участка р. Кия,
С использованием данных полевых измерений или данных дистанционного зондирования оцениваются кривые уровней, по которым рассчитывается контур затопления на определенную дату Т [10], Применяемый метод оценки основан на использовании формулы связи между превышениями уровней над меженью >1'/ в створе гидропункта и исследуемом створе:
<Шр%^
~Ж~
т
к/ко
где величины с индексом “0” относятся к гидропункту; индексом “Т” помечено значение на дату Т. индексом Р% — значение, соответствующее обеспеченности Р (повторяемость такого значения вычисляется как 100/Р лет); показатель к = 5/3 + 1 /п характеризует морфометрию поймы (предполагается, что профиль поймы имеет степенную зависимость вида [13]: г = г0(у/В0)п, ще г — высота над дном, у — плановое расстояние до фарватера, г0 — высота при у = В0 — полуширине реки в межень, п — показатель степени). На рис, 4 приведен пример реализации данного метода.
Рис. 3. Пример интеграции данных, полученных из различных источников (космоснимок РшскВМ, карта руслово-пойменной съемки и расчетная зона затопления М 1 : 10000 на участок р. Кия).
Рис. 4. Контур затопления, построенный по данным полевых измерений, и расчетные зоны затопления разной обеспеченности на участок р. Кондома.
В условиях дефицита информации используется метод равных превышений, предполагающий равенство уклонов водной поверхности в паводок и в межень. Этот метод корректно работает при морфологически подобных условиях в створе пункта и в створах зоны затопления (т. е. при одинаковой форме кривых уровней во всех створах) и достаточно широко используется в расчетах [14]. Высота водной поверхности в любой точке вычисляется по формуле Z = Z0 + ще dZ — подъем уровня воды над картографическим меженным, принимается равным подъему уровня для пункта гидрологического мониторинга.
Заключение
Предложена методика определения риска наводнений па региональном уровне с использованием ГИС, которая включает двухэтаппую оценку опасности затопления с разделением па мелкий и крупный масштаб анализа. При решении задачи оценки риска выделены блок оценки стока, блок расчета зон затопления по известным уровням воды. Приведены примеры применения методологии для рек Кондома и Кия.
Список литературы
[1] Воробьев Е.К., Жоров В.А., Ловцкая О.В., Яковченко С.Г. Программа “Расчет аналитических кривых обеспеченности” (“Гидростатистика”) : Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы № 200060667 от 20.07.2000.
[2] СП-33-101-2003. Определение основных расчетных гидрологических характеристик. 2003. 95 с.
[3] СНиП 2.01.14-83. Определение расчетных гидрологических характеристик. М.: Стройиздат, 1985. 36 с.
[4] Воробьев Е.К., Жоров В.А., Ловцкая О.В., Яковченко С.Г. Программа “Расчет максимального стока весеннего половодья и дождевых паводков неизученных рек (FloodHigh)”: Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы № 2001611052 от 20.08.2001.
[5] Яковченко С.Г., Жоров В.А., Постнова И.С. и др. SNIPCALC — геоинформационное приложение для автоматизированного расчета параметров водосборов // ГИС для устойчивого развития территории. 2003. С. 216-221.
[6] Жоров В.А., Дмитриев В.О., Постнова И.С., Яковченко С.Г. Планирование рисков наводнений с использованием ГИС-технологий // Ползуновский вест. 2006. № 1-2. С. 190-197.
[7] Яковченко С.Г., Жоров В.А., Постнова И.С. Создание и использование цифровых моделей рельефа в гидрологических и геоморфологических исследованиях. Кемерово: Изд-во ИУУ СО РАН, 2004. 92 с.
[8] Яковченко С.Г., Жоров В.А., Васильев A.A. ГИС для подготовки пространственных данных и оценки зоны затопления волной прорыва плотины // Матер. Междунар. науч.-техн. выставки-конгр. ГЕО-Сибирь-2005. Т. 4. Новосибирск, 2005. С. 78-82.
[9] Meijerink A.M.J., de Brower H.A.М., Mannaerts C.M., Valenzuela C. Introduction to the use of geographic information systems for practical hydrology // UNESCO-ITC Publ. 1992. N 23.
[10] Постнова П.С., Яковченко С.Г., Дмитриев В.О. Технология оценки с помощью ГИС зон затопления весенними паводками малой обеспеченности // Вычисл. технологии. 2005. Т. 10. Спецвыпуск. Ч. 2. С. 39-45.
[11] Воробьев Е.К., Жоров В.А., Ловцкая О.В., Яковченко С.Г. Программа “Расчет мор-фоствора (Morfostvor)”: Свидетельство Роспатента об официальной регистрации программы № 2002610324 от 26.04.2002.
[12] Лебедев В.В. Гидрология и гидрометрия в задачах. Л.: Гидрометеоиздат, 1961. 699 с.
[13] Нежиховский P.A. Русловая сеть бассейна и процесс формирования стока воды. Л.: Гидрометеоиздат, 1971. 475 с.
[14] Гарцман Б.П., Карасев М.С., Степаненко Л.А. Картографирование риска затопления и развития водно-эрозионных процессов в долинах рек горных стран зоны муссонного климата: методические и прикладные аспекты // Водные ресурсы. 2000. Т. 27, Jfs 1. С. 13-20.
Поступила в редакцию 9 ноября 2006 г.
