ГИС-исследования поверхностного стока урбанизированных территорий

Карфидова Е.А., Батрак Г.И.
ФГБУН Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН (ИГЭ РАН), Москва, Россия, e-mail: e.karfidova@yandex.ru, gib74@mail.ru

Drain net modeling for urban territories with GIS

Рассматривается методика количественного анализа современного городского ландшафта с целью расчета сети и путей миграции поверхностного стока на урбанизированной территории и анализа водосборного бассейна реки, рельеф которого спланирован, а русло убрано в коллектор. Показаны возможности ГИС-технологий для решения задачи на двух масштабных уровнях: на уровне города (Москва) и уровне одной реки. Проводится районирование территории по уклонам водосборных площадей и эрозионной сети, выявляются зоны повышенной аккумуляции поверхностных вод. Разработка модели картографирования в составе геоинформационной системы городского поверхностного стока помогает решать эколого-градостроительные задачи и снизить риски негативного влияния поверхностного стока в проектировании объектов строительства.

Введение

Важнейшим направлением урбоэкологии является исследование изменения ландшафта при освоении территории и развитии города. При этом эколого-градостроительные усилия целенаправлены на сохранение природного ландшафта. Внимательное бережное отношение к открытым водным объектам, а также к долинам рек, закопанных и канализированных, является одной из первостепенных задач сохранения природного комплекса в городе. Для Москвы эта задача в настоящее время закреплена в совокупности зон с ограниченными условиями градостроительной и хозяйственной деятельности, разработка которых осуществляется по программе сохранения природного комплекса центрального округа города. Наиболее известным примером успешного решения подобных задач является долина реки Неглинки, которая за всю историю развития города сохранилась в его урбанизированном современном ландшафте.

При решении экологических задач в рамках раздела проекта «Охрана окружающей среды», или практических задач, таких, как проектирование сетей дождевой канализации или очистных сооружений поверхностного стока для городских территорий, пока обычно используются обобщенные зависимости для расчета формирующихся объемов стока. В таких расчетных схемах не учитываются характеристики склоновых поверхностей (уклоны, экспозиции, площади). Расчеты ведутся через обобщенный коэффициент стока, который принимается средним для водосборного бассейна. Но принимается он на основе характера покрытия поверхности и условий техногенного освоения, а отнюдь не на основе характеристик цифровой модели рельефа. Этот подход является устаревшим, относящимся к эпохе отсутствия эффективного расчетно-аналитического аппарата геоинформационных технологий (ГИС). При таком подходе невозможно определить пути миграции стока на водосборном бассейне, зоны повышенной его аккумуляции, что сказывается на качестве проектирования. Страдает от этого и решение экологических задач.

В настоящее время на территории крупных городов – таких, как Москва, – ведется активное освоение подземного пространства. Это влечет необходимость гидрогеологических расчетов водопритоков в строительные выработки, а также рекомендаций по созданию дренажной сети. Для этих расчетов весьма полезной является дифференциация территории по условиям стока и питания грунтовых вод.

Данная статья посвящена методам исследования поверхностных стоков с помощью ГИС-технологий на основе совокупности данных о рельефе земной поверхности. Задача рассматривается на двух уровнях: среднемасштабном для урбанизированной территории (на уровне города Москвы с ближайшими окрестностями) и локальном уровне с рассмотрением конкретной реки Таракановка.

Исходные данные и обеспечение

На начальном этапе сбора информации рекомендуется найти исторические планы города, схемы гидрографической сети, планы строительства и другие исторические сведения о водосборных бассейнах городской территории. Для расчета среднемасштабной модели поверхностного стока на территории Москвы мы использовали данные радарной съемки SRTM v.4 [1], которые позволяют строить цифровую модель рельефа (ЦМР) с размером ячейки 100 м. Данные ЦМР проецируются в местную систему координат и на их основе решается задача гидрологического моделирования, рассчитываются сеть поверхностного стока и границы водосборных бассейнов.

Для крупномасштабного исследования формирования стока выбранного бассейна реки Таракановка цифровая модель рельефа дополняется абсолютными высотными отметками по наземной топографической съемке. На этом уровне строится регулярная интерполяционная сетка ГРИД (GRID) с размером ячейки 30 м, на основе которой проводится анализ формирования поверхностных стоков. Для анализа трансформации рельефа представляет интерес рассмотрение карты техногенных отложений в составе комплекта крупномасштабных геологических карт территории Москвы [2]. Также в оценках трансформации рельефа используются данные геопортала Москомархитектуры в части зон ограничения использования территории и сохранения природного комплекса [5].

Район локального исследования находится в северо-западном округе Москвы, в долине реки Таракановка, включая впадение реки Ходынки. На схеме гидрографической сети с реконструкцией рек Москвы, закопанных или убранных в канализацию, он показан прямоугольником (рис. 1).

Рис. 1. Исторические схемы гидрографии Москвы и план строительства церкви; на плане показана река Таракановка.

Согласно энциклопедической справке, р. Таракановка, левый приток р. Москвы. Длина 7,8 км. Большей частью заключена в коллектор. Площадь бассейна 18,3 кв.км. Левый приток – р. Ходынка (часто, наоборот, Таракановка рассматривается как приток Ходынки) [3, с.786]. По значимости (протяженности и водосборному бассейну) река Таракановка сопоставима с рекой Пресня, но ее канализация произошла позднее на 50-70 лет.

Методика исследований

Для решения задачи применялось программное обеспечение ArcGIS for desktop. Формализация анализа формирования и построения сети поверхностных стоков представлена в виде модели картографирования на рис. 2. Модель создана на основе возможностей приложения Model Builder и инструментов дополнительных модулей Spatial Analyst, 3D Analyst и модуля гидрологического моделирования Hydrologic Modeling [4]. В модели на основе исходных данных – цифровой модели рельефа для гидрологического моделирования – на первом этапе сначала строится скорректированная ЦМР (при этом заполняются «раковины» и сглаживаются «пики»), и на ее основе последовательно рассчитываются: направления, длины и зоны аккумуляции стоков, далее по направлению стоков и зонам аккумуляции рассчитываются полигоны водосборных бассейнов. На втором этапе на основе модели TIN строятся пути стоков по кратчайшему пути (3D.Flpath) в виде линейных объектов в трехмерном представлении. Эти объекты переводятся в ординарный вид полилинии, а затем полилинии сегментируются на отдельные отрезки (инструменты Point&polyline), к которым рассчитываются склоновые уклоны (Line Slope analyst).

Рис. 2. Модель анализа формирования и расчета сети поверхностного стока, где слева-направо прямоугольниками разного цвета показаны исходные и расчетные данные по мере вычисления, а овалами – расчетные модули на последовательных этапах решения.

Ниже кратко охарактеризованы используемые в модели модули – расширения ядра ГИС (в скобках приводится наименование оригинального модуля) и форма представления результата:

• корр. ГРИД – корректировка ГРИД на основе заполнения «раковин», локальных понижений (Fill), ГРИД;
• направление стоков – определение азимутального направления стоков (Flow direction), ГРИД;
• зоны аккумуляции – расчет зон аккумуляции стоков (Flow accumulation), ГРИД;
• длины стоков – расчет длины стоков (Flow length), ГРИД;
• границы водосборных бассейнов (Watersheds), шейп-файл, содержащий полигоны;
• пути стоков – определение кратчайших путей стоков со склонов из центра треугольника – элемента нерегулярной триангуляционной сети (3D.Flpath), линейный объект в трехмерном представлении;
• удаленная Z – удаление 3D представления и перевод в обычный вид полилинии (RemoveZ), шейп-файл, содержащий полилинии;
• сегментация путей – сегментация полилиний (Point&polyline Tools), шейп-файл, содержащий линии;
• расчет уклонов – расчет склоновых уклонов по отдельным линиям стоков (Line Slope analyst), шейп-файл, содержащий линии с атрибутами длины и уклона.

Расчет геостатистических данных ГРИД позволяет получить основные характеристики цифровой модели рельефа (ЦМР) земной поверхности урбанизированной территории по уклонам и экспозиции склонов. По результатам гидрологического исследования рассчитываются ГРИДы по направлению, длинам и аккумуляции стоков, а также полигоны водосборных бассейнов (рис. 3). Расчет границ водосборного бассейна требует ввода параметра минимальной площади и по своей сути является итерационным, подбираемым пользователем (на этом уровне – 500 ячеек сетки, или 5кв.км).

Рис. 3. Сеть поверхностных стоков Москвы на цифровой модели рельефа, рассчитанной по данным радарной съемки, фрагмент А – выбранный район исследования водосборного бассейна реки Таракановка (слева). Справа – расчетные зоны аккумуляции поверхностных стоков в бассейне реки Таракановка, аккумуляция представлена как масштабируемый точечный объект. Для географической привязки показаны основные транспортные магистрали, линии железной дороги, станции метро и границы кадастрового деления.

На крупномасштабном уровне исследования изучается бассейн реки Таракановка (рис. 4). Также рассчитывается геостатистика по уточненному рельефу и исследованию поверхностного стока. Расчет скорректированной модели ГРИД с заполнением локальных понижений позволяет оценить зоны локального замкнутого понижения, используя формулу:

ГРИДлок = ГРИДкор – ГРИДисх

Рис. 4. Фрагмент ЦМР долины реки Таракановка; пути стоков, рассчитанных по склонам сети TIN (кратчайшие пути), представлены с классификацией по величине уклона (от зеленого до бордового цвета).

В нашем случае, рассчитанные на основе ГРИДлок изолинии локального понижения достигают 1,5 м и располагаются как в срединной, так и в нижней частях русла в пределах района исследования, в том числе и в местах, где расположены техногенные отложения мощностью 3–4 м. Зоны локального замкнутого понижения весьма интересны для инженерно-геологических исследований, особенно в задачах проектирования строительства объектов. В данном случае была выбрана минимальная водосборная площадь – 100 ячеек сети, позволяющие выявить притоки второго порядка. В результате расчета, наряду с существенными полигонами возникают мелкие несущественные полигоны. Уничтожение таких полигонов возможно при задании минимальной площади и присоединении к соседнему полигону по длинной стороне (модуль Dissolve.avx).

Внимательное отношение к оценке уклонов склонов долины равнинной реки позволяет выявить, что оценка уклонов в модуле Spatial Analyst является усредненной, т.е. не в полной мере отражает реальную картину. Поэтому скорректированные уклоны были рассчитаны по склонам сети TIN, построение их распределения выявило некоторое отличие от распределения уклонов по ГРИД (рис. 5), что и предопределило необходимость в ходе анализа формирования путей направленных склоновых стоков использовать направление наибольшей крутизны.

Рис. 5. Статистика распределения уклонов склонов: А) рассчитанных на основе TIN, Б) по длине направленного стока.

Результаты исследований

На среднемасштабном уровне исследования по данным радарной съемки рассчитана сеть поверхностных стоков на территории Москвы, а на крупномасштабном на основе наземных топографических данных – поверхностные стоки района локального водосборного бассейна реки Таракановка (рис. 3, 4).

Основываясь на данных мощности техногенных отложений в составе карты техногенных отложений комплекта крупномасштабных геологических карт территории Москвы [2], можно заметить, что техногенные отложения в районе исследования связаны с бывшим руслом реки Таракановка. Фрагментарно на небольшой площади они достигают мощности в 6 м, но в среднем составляют 3–4 м и не имеют постоянного простирания в русле реки. В отличие от верхней, в нижней части реки до ее устья мощность техногенных отложений достигает 8 м, занимаемая ими поверхность имеет значительную ширину вкрест простирания русла и постоянна на всем протяжении вплоть до впадения в реку Москва.

Построение отмывки рельефа позволяет заметить в срединной части района исследования линеаменты азимутального простирания 27 и 90 градусов. Законы распределения высотных значений для ГРИД земной поверхности – нормальный, для ГРИД уклонов – логнормальный; оценки вертикального расчленения выявляют значения 5–6 м в радиусе 100 м, но их расположение связано с большими магистралями и железной дорогой. Если исключить чисто техногенную составляющую, то оценки в 2–3 м связываются с долиной рек Таракановка и Ходынка.

Анализируя направленность простирания зон аккумуляции высокой степени как предполагаемое русло реки, заметим, что выделяются два линеамента меридиональной направленности в средней части исследуемого района с азимутальным направлением 27–29 градусов и два линеамента широтного направления с азимутальным направлением около 90 градусов. Направления этих линеаментов совпадают с линеаментами отмывки рельефа. Максимальная величина зоны накопления стока по площади водосборного бассейна равняется 24,18 кв.км, что в сравнении с историческими данными о площади водосборного бассейна 18,3 кв.км представляется для исследуемого района вполне реальной величиной с увеличением на 15-20% по сравнению с историческими данными.

Произведен расчет границ водосборных бассейнов разных порядков, к которым рассчитываются геостатистические оценки. Расчетное число малых водосборных бассейнов реки Таракановка – 18, их средняя площадь – 0,32 кв.км (минимальная – 0,05 кв.км, максимальная – 0,83 кв.км). Уклоны водосборных бассейнов (в градусах) имеют среднее значение 1,09 (минимальное значение – 0,36, максимальное значение – 1,88), причем уклоны предполагаемого русла ниже склоновых уклонов в среднем на 15-20%. Максимальные склоновые уклоны в морфометрическом анализе выступают в виде маркеров, которые позволяют выявить основные уровни террас долины реки. Уклоны левых склонов в срединной части русла превышают уклоны правых склонов в среднем на 20%. Характерной особенностью склоновых (направленных) уклонов является то обстоятельство, что максимальные уклоны встречаются у коротких по длине стоков.

Крупномасштабное исследование позволило выявить все притоки р. Таракановки и оценить их роль в водном балансе водосборного бассейна. И если геометрия основного русла была в общих чертах известна, то информация о притоках и роли разных частей водосборного бассейна в питании реки ранее отсутствовала.

Помимо объемов аккумулированной воды важной характеристикой является доля поверхностных вод, которая транзитом проходит через территорию, по отношению к той части, которая просачивается в почву и уходит на испарение. И здесь необходимо учитывать как характеристику покрытия земной поверхности (газон, асфальт и т.д.), так и углы наклона поверхности на водосборе. Там, где углы невелики, формируется застойный водный режим, улучшаются условия для просачивания. При неглубоком залегании грунтовых вод и высокой проницаемости отложений зоны аэрации формируются условия для улучшенного питания подземных вод. Для выявления таких зон водосборный бассейн был прорайонирован по уклонам поверхности.

По данным каталога геоданных единого геоинформационного пространства Москвы Москомархитектуры [5], на территории исследуемого района находятся лесопарки, парки, кладбище (бывшее), зоны строгого регулирования градостроительной деятельности, зоны регулирования застройки, зоны охраняемого природного ландшафта, охраняемого культурного слоя, территории объектов культурного наследия (рис. 6). Большие магистрали (Ленинградский проспект и улица Алабяна) секут долину реки Таракановка, перекрывая естественные пути миграции поверхностного стока с перехватом последнего и направлением его в систему дождевой канализации. Этот факт также должен учитываться при районировании по условиям питания подземных вод.

Рис. 6. Территории с особыми требованиями к осуществлению градостроительной деятельности в локальном районе исследования (скриншот с геопортала единого геоинформационного пространства Москвы).

Интересным фактом в сравнении расчетных ЦМР рельефа земной поверхности и погребенного горизонта (юрского возраста) являются линеаменты русла одного азимутального направления (27-29 градусов), расположенные с небольшим смещением как в срединной, так и в нижней частях русла в исследуемом районе.

Заключение

В результате проведенного исследования показана высокая эффективность использования ГИС-технологий для анализа условий формирования поверхностного стока на городских территориях. Использование радарной съемки и создание на ее основе среднемасштабной сети поверхностных стоков на территории Москвы позволяет правильно выделять водоразделы конкретных рек для крупномасштабных исследований поверхностного стока.

Для бассейна р. Таракановка был произведен анализ путей направленных склоновых стоков. Характерной особенностью склоновых (направленных) уклонов является то обстоятельство, что максимальные уклоны встречаются у коротких по длине стоков.

Построенная карта-схема зон аккумуляции стоков в сочетании с районированием водосборного бассейна по уклонам поверхности позволяет оценить зоны преимущественного просачивания поверхностных вод сквозь грунты зоны аэрации.

Показано, что для выбранного бассейна реки Таракановка, несмотря на значительные видимые изменения земной поверхности, рельеф сохраняет практически все природные черты: границы водосборных бассейнов, эрозионную сеть малых порядков, объемы и пути миграции поверхностного стока, зоны аккумуляции атмосферных осадков.

Анализ сопоставления зон аккумуляции стоков и водосборных бассейнов с существующей застройкой показывает, что планировка и кадастровое деление территории проведены относительно «дружественно» по отношению к долине реки Таракановка. Большинство кварталов вписано в границы естественных элементов ландшафта.

Наиболее целесообразным развитием исследований является создание двухуровневой базы геоданных поверхностного стока Москвы с периодическим обновлением материалов радарной съемки и постепенным – инженерно-геологических изысканий (по мере возможности или необходимости), а также вводом крупномасштабных топографических данных для анализа водосборных бассейнов рек с целью оценки питания грунтовых вод.

Литература

1. CGIAR-CSI, 2015. The CGIAR Consortium for Spatial Information, Appling Geospatial Science for a Sustainable Future. http://srtm.csi.cgiar.org/SELECTION/inputCoord.asp
2. В.И. Осипов. Крупномасштабное геологическое картирование территории г. Москвы // Геоэкология, инженерная геология, гидрогеология, геокриология. 2011. № 3. С. 195 – 197.
3. Москва. Энциклопедия, научное издательство «Большая российская энциклопедия», Москва, 1998г.
4. Jenson, S.K., and J.O. Domingue. Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis. Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. 1988. 54 (11): 1593–1600.
5. Геопортал Москомархитектуры: http://egip.mka.mos.ru/egip/egip.nsf/.