А.А. Ищук, Украинский центр менеджмента земли и ресурсов (Киев),
В.Е. Козлитин, А.Д. Сенченко, В.Г. Швайко, ЗАО “ЕСОММ Со”, (Киев).
Период высокой водности вызвал заметную активизацию гидрологических и связанных с ними геологических явлений, которые угрожают жизни людей и приносят ощутимые убытки экономике Украины. Велика вероятность, что этот период и связанные с ним высокие паводки на речках западного региона Украины продолжатся до 2005-2008 гг. В связи с этим, важность модернизации средств прогнозирования и оперативной оценки последствий экстремальных ситуаций в последнее время существенно возросла.
По заключению комиссии Национальной Академии Наук Украины (НАНУ), при экстремальных условиях, которые сложились в ноябре 1998 и марте 2001 года, количество осадков в 7-10 раз превысило водорегулирующую емкость лесных экосистем Закарпатья. Следствием этого стали чрезвычайные паводки, существенное снижение оползневой стойкости склонов и активное формирование селей.
Мониторинг активизировавшихся опасных природных явлений усложняется дефицитом оперативной информации о влияющих на них факторах, связанным с сокращением сетей гидрологического и геологического мониторинга. Вместе с тем, именно в последнее десятилетие отмечен значительный рост современных информационных технологий, среди которых, прежде всего, следует выделить геоинформационные технологии и средства дистанционного зондирования Земли. Именно они дают возможность наглядно оценить обстановку вокруг места аварии, рассчитать зону паводкового затопления, продвижение фронта пожара, распространение химического или радиоактивного загрязнения. С их помощью можно автоматически подсчитать площади пострадавших участков, оценить объемы химических и радиоактивных осадков, выделить населенные пункты и прочие объекты, находящиеся в пределах опасной территории.
Возможность интеграции ГИС и специализированных приложений существенно расширяет диапазон их применения. Сегодня по такому пути идет разработка моделей миграции загрязнителей в геологической среде, атмосфере и гидросфере; паводковых ситуаций и развития экзогенных процессов.
При создании Правительственной Информационно-аналитической системы по вопросам чрезвычайных ситуаций (ПИАС ЧС), заказчиками которой выступают Кабинет Министров Украины и Министерство Украины по вопросам чрезвычайных ситуаций и по делам защиты населения от последствий Чернобыльской катастрофы (МЧС), было решено использовать аналитические и моделирующие возможности геоинформационных систем для создания прогнозно-моделирующих комплексов предотвращения, минимизации и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций.
Научное руководство работами, главным исполнителем которых определен официальный дистрибутор технологий ESRI в Украине ЗАО “ЕСОММ Со”, ведет Украинский центр менеджмента земли и ресурсов (УЦМЗР).
Комплекс моделирующих систем создается как составная часть распределенной информационной структуры ПИАС ЧС, которая интегрирует информационные потоки таких правительственных и государственных учреждений как Кабинет Министров Украины, Украинский Гидрометцентр, МЧС Украины и т.д. Таким образом, создается единая информационная среда, способная обеспечить необходимый уровень как снабжения исходными данными для моделирования, так и подготовки информации для системы принятия решений.
Системный комплекс базируется на платформе семейства программных продуктов ArcGIS, что обеспечивает возможность объединения возможностей современных ГИС с мощными проблемно-ориентированными моделирующими системами соответствующих ведомств, опираясь на распределенную информационную базу, организованную средствами ArcSDE и СУБД Informix.
Информационное обеспечение комплекса опирается на данные следующих информационных структур, размещенных на резервном узле ПИАС ЧС в МЧС Украины:
1. БД чрезвычайных ситуаций, которая вмещает информацию о времени, типе и масштабе чрезвычайной ситуации;
2. БД гидрометеорологической информации, оперативно формирующейся по данным Украинского Гидрометцентра;
3. БД потенциально опасных объектов Украины;
4. Электронного картографического фонд ПИАС ЧС, доступ к которому обеспечивается средствами ArcSDE.
В течении 2001 года реализовано три первых комплекса, которые направлены на:
- прогнозирование и оценку последствий паводковых ситуаций;
- прогнозирование и оценку последствий селевых проявлений;
- прогнозирование и оценку последствий выбросов в атмосферу опасных химических веществ.
Остановимся подробнее на каждом из этих комплексов.
Прогнозирование и оценка последствий паводков
Данный комплекс состоит из следующих основных модулей:
- Менеджер сценариев моделирования.
- Моделирования зон затопления.
- Пространственного анализа последствий ЧС.
- Визуализации результатов моделирования.
- Печати и публикации результатов.
Менеджер сценариев моделирования функционирует на базе ГИС-интерфейса, который обеспечивает:
- создание геоинформационной среды, содержащей перечень картографических слоев, необходимых для функционирования ПМК;
- автоматическое позиционирование карты на выбранный речной бассейн;
- автоматический ввод и редактирование параметров, необходимых для проведения моделирования: корректирование данных оператором; выбор необходимой информации из БД чрезвычайных ситуаций; просмотр, редактирование и использование накопленных сценариев (рис. 1).
Рис. 1. Интерфейс формирования сценария.
Модуль моделирования зон затопления выполняет следующие функции:
1. Моделирование поверхности реки по данным об уровнях воды на гидропостах. При этом может быть принята во внимание следующая исходная информация:
- данные фонового гидрологического прогноза УкрГМЦ на заданный момент времени;
- данные штормового предупреждения;
- исторические данные о максимальных подъемах уровня воды за последние 100 лет;
- данные, введенные оператором по информации оперативных сообщений.
Модуль использует внешний моделирующий комплекс гидрологического моделирования LEVEL_TS_M, разработанный специалистами УкрНИГМИ, для детализации данных гидропостов по створам, расположенным по руслу моделируемой реки с интервалом 5 км.
2. Получение векторного полигона зоны затопления средствами пространственного ГИС- анализа путем сравнения паводковой поверхности реки с поверхностью рельефа местности (рис. 2).
Рис. 2. Расчетные площади затопления.
Модуль пространственного анализа возможных последствий развития паводка средствами пространственного ГИС- анализа определяет:
- перечень населенных пунктов, попавших в зону затопления, и примерное число жителей в них (рис. 3);
- перечень промышленных предприятий, попавших в зону затопления;
- длину автомобильных и железнодорожных путей, попавших в зону затопления;
- длину линий инженерных коммуникаций, попавших в зону затопления.
Рис. 3. Выборка по населенным пунктам, попавшим в зону подтопления.
Менеджер печати и публикации результатов моделирования выполняет следующие функции:
- формирование отчетных документов в формате MS Office (рис. 4);
- публикацию на сервере Резервного узла ПИАС ЧС для дальнейшего использования в процессе принятия решений в подсистемах ПИАС ЧС.
Рис. 4. Вариант выводимых на печать и публикацию результатов моделирования.
Прогнозирование и оценка последствий выброса в атмосферу опасных химических веществ
Надо отметить, что Украина сегодня располагает алгоритмами математического моделирования процессов переноса загрязнителей в атмосфере, которые рассчитаны на использование прогностических значений метеопараметров, передаваемых по каналам АСПД в ГМЦ Украины из мирового метеорологического центра BRAKNELL в узлах сетки 2,5×2,5 град.
Одну из таких моделей, разработанную профессором Прусовым В.А. (Киев), в свое время использовал в рамках демонстрационного проекта УЦМЗР. С ее помощью рассчитывались поля распределения выпадений, возникающих в результате выбросов в атмосферу продуктов лесных пожаров на территории Чернобыльской зоны отчуждения.
К сожалению, эта модель пока не имеет официального статуса и не может быть использована при создании правительственной системы. Кроме того, Украина пока не входит в список официальных потребителей прогностической гидрометеоинформации таких мировых метеорологических центров, как BRAKNELL или аналогичных ему разработчиков мезомасштабных моделей. Учитывая данную ситуацию, основой для разработки данного прогнозно-моделирующего комплекса стала «Методика прогнозирования последствий выброса опасных химических веществ при авариях на промышленных объектах и транспорте», которая утверждена в МЧС Украины 10 апреля 2001 года.
Моделирование ведется по базовым пространственным объектам картографического слоя потенциально-опасных объектов, расположенного в фонде электронных карт ПИАС ЧС. База данных опасных в химическом отношении объектов входит в его состав и содержит такие сведения, как:
- Название предприятия;
- Код населенного пункта (адреса);
- Перечень и количество хранимых опасных химических веществ (ОХВ);
- Степень химической опасности и др.
Объединение возможностей пространственного ГИС- анализа и встроенного моделирующего блока, реализующего средствами ArcView 8 указанную выше методику, позволяет рассчитать такие составляющие химической аварии, как:
Сектор зоны заражения;
Глубина зоны заражения;
Площадь зоны заражения;
Количество населенных пунктов в зоне;
Численность населения в зоне;
Время подхода облака к каждому населенному пункту;
Возможные потери населения и др.
Рис. 5. Экранная форма менеджера сценариев моделирования.
Структура данного комплекса в целом аналогична комплексу ПМК. Она представлена следующими модулями:
Менеджер сценариев моделирования (рис. 5).
Моделирования зоны заражения.
Пространственного анализа последствий НС.
Визуализации результатов моделирования.
Печати и публикации результатов моделирования.
Модуль моделирования рассчитывает сектор зоны заражения и время подхода к населенным пунктам (рис. 6).
Рис. 6. Результат моделирования распространения ОВР (имитируемая ЧС).Модуль пространственного анализа последствий аварии на химобъекте определяет средствами пространственного ГИС- анализа следующие параметры:
- перечень населенных пунктов, попавших в зону поражения и ориентировочное количество жителей в них;
- время подхода облака к населенным пунктам;
- перечень промышленных предприятий (в объеме информации базовой электронной карты масштаба 1:200 000), попавших в зону поражения;
- возможные потери населения.
Модули визуализации и печати результатов аналогичны для всех трех прогнозно-моделирующих комплексов.
Прогнозирование и оценка последствий схода селей
Существующие методы оценки селепроявлений дают возможность показать вероятность возникновения и интенсивность этих явлений на определенных водосборах, выделяющихся по своим ландшафтным особенностям. Вероятностная оценка осуществляется во временном и пространственном отношении. Таким образом, оценка вероятности селепроявления дается для отдельных частичных площадей водосборов без уточнения местонахождения конкретных селевых участков. Тем не менее, перечень населенных пунктов, которые могут испытать разрушение от селевых проявлений на каждом участке, как правило, известен, что позволяет установить необходимые связи в базе данных.
Специалистами УкрНИГМИ была создана карта селевой опасности горных районов Украины, на которой селеопасные территории ранжированы в зависимости от типов селевых процессов. При составлении данной карты использованы натурные данные, полученные экспедиционным путем специалистами КГГП, УкрНИГМИ, Карпатской и Крымской селестоковых станций.
Исходные данные для районирования включают полигоны селевых бассейнов и участков, уклоны русел, длину врезов и котловин, расходы селевых потоков и объемы отложений.
Таким образом, речь идет о включении в процесс пространственного ГИС- анализа базовой информации в виде электронной тематической карты, которая содержит данные о современном состоянии потенциально опасных в отношении возникновения селей участков. Эта информация входит в фонд электронных тематических карт МЧС Украины и должна ежегодно обновляться. Другой составляющей является оперативная информация УкрГМЦ о текущих осадках, позволяющая оценить их интенсивность. Обработка этой информации в модели, разработанной УкрНИГМИ, дает возможность сформировать прогнозные карты селевой активности при разных вариантах прогноза интенсивности осадков (прогноз на уменьшение или на увеличение интенсивности осадков). На картах будут указаны площади возможной активизации геологических процессов указанного типа, а также перечень населенных пунктов и объектов, которые могут пострадать (рис. 7).
Рис. 7. Прогнозная карта селевой активности.
Прогнозно-моделирующий комплекс, оценивающий возможную селевую активность, построен аналогично двум описанным выше и состоит из таких же модулей — менеджер сценария, модули моделирования, визуализации и печати.
