1В.В. Хромых, О.В. Хромых, 2А.А.Ерофеев
Томский государственный университет
E-mail: 1geo@mail.tomsknet.ru; 2erofeew@yandex.ru
Using spatial analysis tools in ArcGIS for the extraction of water protection zones around small rivers within a city
Природоресурсное и природоохранное Законодательство Российской Федерации предусматривает различные виды правового обеспечения охраны окружающей среды. Так, в настоящее время законодательной базой при определении водоохранной зоны какого-либо водного объекта является Постановление правительства РФ № 1404 от 23 ноября 1996 г., которое в действительности применимо лишь в качестве универсальной системы выделения водоохранных зон и должно использоваться в случаях, требующих огромных затрат на более детальное проектирование (например, для проектирования водоохранных зон для множества малых рек Российский Федерации, находящихся в отдалённых слабозаселённых районах). В случае же, когда речь идёт о малых реках, расположенных в пределах крупных урбанизированных территорий, такой подход на наш взгляд требует значительной доработки.
Другие известные подходы к решению этой проблемы: выделение всего водосборного бассейна реки, выделение «буферной зоны» от исторически максимального уровня воды в реке и др. Такие подходы более приемлемы с экологической точки зрения, но из-за большой площади выделяемой территории они не находят широкого применения на практике. Особенно это очевидно для высокоурбанизированных территорий, где высока стоимость земли.
В связи с указанными недостатками имеющихся методик, авторами работы была предложена инновационная методика выделения водоохранных зон малых рек в пределах урбанизированных территорий. Ее основу составляет ландшафтный анализ долин малых рек с использованием методов геоинформационного картографирования. Необходимо отметить, что осуществление работы стало возможным благодаря участию сотрудников кафедры географии Томского государственного университета совместно с сотрудниками ИВЭП СО РАН в разработке проекта водоохранных зон водных объектов в черте г. Томска (на основании контракта с ОГУ «Облкомприрода»). Поэтому в качестве объекта исследования была выбрана долина р. Ушайки в пределах города.
Первым этапом работы стало создание крупномасштабной ландшафтной карты долины р. Ушайки. В качестве исходных источников для ландшафтного картографирования использовались оцифрованные листы топографической карты масштаба 1:10 000, космический снимок Quick Bird II 2005 г. с пространственным разрешением 2,44 м, а также материалы полевых исследований с использованием GPS-съёмки (всего 69 точек наблюдений). Все данные с помощью программного комплекса ArcGIS 9.2 (ESRI Inc.) были привязаны к единой проекции в системе координат 1942 г. (проекция Гаусса-Крюгера, 15 зона) и сведены в единую базу геоданных (БГД). В результате была построена ландшафтная карта долины р. Ушайки (рис. 1), состоящая из 3602 полигонов геосистем, которые были дифференцированы на 39 видов урочищ, объединённых в 6 групп: прирусловая пойма, центральная пойма, притеррасная пойма и первая надпойменная терраса р. Ушайки, центральная пойма р. Томи, геосистемы с очень высокой степенью антропогенной модификации.
Рис. 1. Фрагмент цифровой ландшафтной карты долины р. Ушайки.
На основе оцифрованных с топокарт горизонталей, высотных отметок и контуров гидросети методом триангуляции Делоне была построена цифровая модель рельефа (ЦМР) долины р. Ушайки в формате нерегулярной триангуляционной сети (TIN), см. рис. 2. Далее был проведён морфометрический анализ урочищ долины Ушайки на основе ЦМР. С помощью функции зональной статистики модуля ArcGIS Spatial Analyst был рассчитан средний уклон каждой геосистемы (урочища).
Рис. 2. Фрагмент трёхмерной модели рельефа долины Ушайки. Уровень воды показан на момент паводка в мае 2008 г. Вертикальный масштаб в 10 раз больше горизонтального.
Весь этот объем пространственных данных совместно с экспертным пространственным анализом был использован авторами для разработки инновационной методики выделения водоохранных зон малых рек в пределах урбанизированных территорий (рис. 3).
Рис. 3. Предложенный алгоритм выделения водоохранной зоны малой реки.
Главным инструментом реализации представленной методики являлась комплексная ландшафтная географическая информационная система (ГИС), которая содержала большой объём информации о рельефе, гидрографии, а главное – подробные характеристики всех ландшафтных систем (урочищ), входящих в долину Ушайки (см. табл. 1).
Таблица 1. Фрагмент БГД пойменных ландшафтных систем долины р. Ушайки.
|
Название урочища |
Группа урочищ |
Литогенная основа |
Почва |
Площадь (км²) |
Средний уклон, гр. |
|
Невысокие валы с ивовыми зарослями и бурьянистым разнотравьем на аллювиальных дерново-слоистых супесчаных и песчаных почвах |
Прирусловая пойма реки Ушайки |
Супесь, песок |
Аллювиальная дерново-слоистая |
0,1 |
5,35315 |
|
Понижения с разнотравно-осоковыми лугами на аллювиальных дерново-слоистых оглеенных супесчаных почвах |
Прирусловая пойма реки Ушайки |
Супесь |
Аллювиальная дерново-слоистая оглеенная |
0,04 |
3,70952 |
Полученные на основе морфометрического анализа результаты подтвердили основные закономерности, присущие элементам речных долин. Так, наименьший средний уклон (0,45˚) имеют парки, скверы и прочие зелёные насаждения на изменённых почвах, расположенные в пределах поймы и надпойменной террасы. Геосистемы, расположенные на террасе и в пойме, в большинстве имеют незначительный средний уклон (1 – 3˚). Максимальным же средним уклоном (до 14,6˚) обладают геосистемы на склонах междуречных равнин.
Не секрет, что основное негативное воздействие на водный объект могут оказывать поверхностные стоки, имеющие различное происхождение, как промышленное (с предприятий, автомобильных и железных дорог), так и бытовое (с территории жилой и общественной застройки). Вследствие этого, основной задачей для расчёта водоохраной зоны стало моделирование поверхностного стока, которое можно было осуществить на основе проведённого ранее морфометрического и других видов анализа. Особенности в характере поверхностного стока на всей территории долины р. Ушайка можно было определить благодаря пространственным данным и информации, содержащейся в созданной комплексной ландшафтной ГИС, а также применив экспертный пространственный анализ.
В первую очередь в водоохранную зону вошли исключения, выделенные с помощью экспертного пространственного анализа. К ним относились: пойменные геосистемы, включение которых в водоохранную зону не вызывало сомнений после весеннего паводка в 2008 г. (когда оказалась затопленной большая часть пойменных ландшафтов), долины малых рек и ручьёв, а также овраги (при условии, что их устья и водосборы входят в долину реки).
Для определения принадлежности к водоохраной зоне остальной территории долины реки был рассчитан коэффициент потенциальной экологической опасности (Кпот.эк.опас.), назначением которого было показать степень опасности нарушения правил землепользования на данной территории, а в случаях, когда эти правила уже кардинальным образом нарушены, – необходимость применения комплекса инженерных систем, регулирующих поверхностные стоки.
Расчёт коэффициента потенциальной экологической опасности (Кпот.эк.опас.) происходил по следующей формуле:
где
Кср.укл. – коэффициент среднего уклона ландшафтной системы, рассчитанного на основе ЦМР;
Кр – коэффициент состояния растительности ландшафтной системы;
Кс – коэффициент почвенного субстрата ландшафтной системы.
Расчёт коэффициента потенциальной экологической опасности производился по 7-ми бальной оценочной шкале. При этом необходимо сказать, что оценка отличалась определённой долей субъективизма, избежать которого полностью, по всей видимости, невозможно. Однако его долю можно значительно снизить, связав некоторые критерии оценки с чёткими количественными характеристиками геосистем и переложив трудоёмкие расчёты этих характеристик на компьютер.
Для моделирования поверхностных стоков было решено использовать коэффициент среднего уклона каждой геосистемы (Кср.укл.), т.к. известно, что наклон поверхности непосредственным образом влияет на величину стока (табл. 2).
Таблица 2. Коэффициент среднего уклона геосистемы.
|
Средний уклон, гр. |
Бальная оценка |
|
менее 0,5 |
1 |
|
0,5–0,7 |
2 |
|
0,7–1 |
3 |
|
1–3 |
4 |
|
3–7 |
5 |
|
7–11 |
6 |
|
более 11 |
7 |
Подобным образом был рассчитан коэффициент состояния растительности (Кр), для дифференциации которой были взяты участки как с нарушенным растительным покровом, так и участки, занятые лугом, кустарником и лесом. Известно, что лесная растительность задерживает до 30% атмосферных осадков, поэтому для таких ландшафтных систем было решено использовать Кр= -2. За участки с нарушенным растительным покровом было принято считать и садовые участки, и территории, занятые под городскую застройку. Поверхностный сток на этих участках может происходить с различными скоростями и объёмами, но общая тенденция всё же идёт к его увеличению, следовательно, Кр = +1 (табл. 3).
Таблица 3. Коэффициент состояния растительности геосистемы.
|
Состояние растительности |
Бальная оценка |
|
Лес |
-2 |
|
Кустарник |
-1 |
|
Луг |
0 |
|
Участки с нарушенным растительным покровом |
+1 |
Значение коэффициента почвенного субстрата (Кс) рассчитывалось благодаря унификации значений коэффициентов фильтрации грунтов конкретной ландшафтной системы, входящей в долину реки Ушайки. Например, самым низким коэффициентом фильтрации обладает глина (< 0.001 м/сут.). Суглинок (0,01 м/сут.) и супесь (0,05 м/сут.) обладают промежуточными значениями, а коэффициент фильтрации песков (от 0,1 м/сут. у мелкозернистых до 5,0 м/сут. у крупнозернистых) и гравия (10 м/сут.) вне сомнения гораздо выше, чем у других субстратов (табл. 4).
Таблица 4. Коэффициент почвенного субстрата ландшафтной системы.
|
Вид субстрата |
Бальная оценка |
|
Гравий, галька, песок |
-2 |
|
Супесь |
-1 |
|
Суглинок |
0 |
|
Глина |
+1 |
|
Изменённый человеком |
+1 |
Таким образом, гравийный и песчаный субстрат позволяют влаге просачиваться вглубь склона, снижая поверхностный сток, следовательно, Кс = -2. Глинистый же субстрат и большинство поверхностей, изменённых человеком (к примеру, грунтовые и асфальтированные дороги), наоборот, усиливают поверхностный сток, поэтому для таких субстратов Кс = +1 (см. табл. 4).
Рис. 4. Фрагмент водоохраной зоны р. Ушайки, выделенной на космическом снимке QuickBird 2.
В результате вычисления коэффициентов потенциальной экологической опасности была создана карта водоохраной зоны р. Ушайки (рис. 4). Ландшафтные системы, получившие в результате расчётов коэффициент от 0 до 2 и не попавшие в существующие исключения, оговоренные выше, не вошли в неё. Примерами таких ландшафтных систем являются урочища, расположенные на поверхности первой надпойменной террасы и занимающие 8,33 % площади долины:
- гривы с сосновыми разнотравными лесами на подзолистых песчаных почвах;
- слабоволнистые участки с берёзовыми и сосново-берёзовыми кустарниковыми разнотравными лесами на дерново-подзолистых супесчаных почвах;
- выровненные слабодренируемые участки с ивовыми влажнотравными лесами на серых лесных глеевых супесчаных почвах;
- пологонаклонные участки с ивовыми разнотравными лесами на серых лесных супесчаных почвах.
Как и предполагалось ранее, в водоохранную зону включена большая часть ландшафтных систем долины реки (91,27%), которые являются составными частями общего водосбора р. Ушайки.
Разработанная методика доказала свою актуальность и необходимость практического использования при анализе последствий весеннего наводнения в г. Томске в 2008 г. По ряду важных параметров она является более эффективной и менее затратной, чем существующие методики, а включение в процедуру обработки пространственных данных программного обеспечения компании ESRI позволило значительно автоматизировать весь процесс и сделать его более беспристрастным.
