Куракина Н.И., Ковчик В.С.
Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ»;
УНЦ «ГИС-технологии»; Санкт-Петербург
Cartographic modeling of the territory flooding hydrological processes
В работе исследуются вопросы ландшафтного моделирования гидрологических процессов. Разработана геоинформационная обобщенная модель формирования стока, базирующаяся на цифровой модели рельефа. Выделение зон подтопления заданной обеспеченности осуществляется с использованием специализированных инструментов «Гидрология» модуля ArcGIS Spatial Analyst. Объектом исследования является протекающая в республике Башкортостан река Белая – типичный пример водного объекта, подвергающегося ежегодным интенсивным разливам. Проведен сравнительный анализ полученных результатов и реальной статистики подтоплений в исследуемом регионе.
Подтопления территории — проблема, ежегодно затрагивающая тысячи населенных пунктов в России и по всему миру. Весеннее половодье и паводки наносят значительный материальный ущерб, повреждают жилые дома, автомобили, дороги, прочие инфраструктурные объекты и производственные сооружения, затрудняют передвижение и помощь пострадавшим, не говоря уже о жизнях людей, ежегодно отнимаемых подтоплениями. В связи с этим представляет большой практический интерес определение зон возможного затопления с составлением подробного перечня объектов, которые могут быть затоплены с различной степенью вероятности.
Применение геоинформационных технологий и цифровых моделей рельефа (ЦМР) позволяет в значительной степени автоматизировать этот процесс. Определение границ зон возможного затопления является в настоящее время одной из стандартных прикладных гидрологических задач, решаемых средствами ГИС [1]. Для построения границ зон затопления необходимо в качестве исходных данных иметь детальную информацию о рельефе территории и значениях уровней воды заданной обеспеченности.
Целью данной работы является исследование и демонстрация современных решений в вопросе картографического моделирования подтопления территорий. Они охватывают разработку алгоритма выделения зон подтопления заданной обеспеченности с использованием набора специализированных инструментов «Гидрология», включенных в модуль ArcGIS Spatial Analyst, и методы проведения сравнительного анализа результатов в соответствии с реальной статистикой подтоплений в анализируемом регионе.
Объектом исследования в данной работе является река Белая, крупнейшая река в республике Башкортостан и основной водный и питьевой источник региона – типичный пример водного объекта, подвергающегося ежегодным интенсивным разливам. Знание закономерностей протекания процесса подтопления в данном регионе имеет широкое практическое значение.
Цифровые модели рельефа
Под цифровой моделью рельефа принято понимать средство цифрового представления трехмерных пространственных объектов (поверхностей или рельефов) в виде трехмерных данных, образующих множество высотных отметок (отметок глубин) и иных значений аппликат (координаты Z) в узлах регулярной или нерегулярной сети или совокупность записей горизонталей (изогипс, изобат) или иных изолиний.
Цифровая модель рельефа является важнейшим компонентом любой гидрологической модели. Пространственное разрешение цифровой модели местности, используемой для цифрового моделирования, определяется, во-первых, площадью рассматриваемого водосбора, а во-вторых, – детализацией имеющихся данных. Например, в модели ECOMAG, используемой преимущественно для крупных водосборов, применяется ЦМР GLOBE с размером ячейки 1 км. Для моделирования стока со средних и малых водосборов необходимо получение данных более высокого пространственного разрешения, что является определенной проблемой. Правда, в последние 10 лет в открытом доступе появились глобальные ЦМР с шагом сетки от 30 до 250 м (SRTM, GMTED2010, ASTER GDEM).
В результате анализа различных моделей наиболее подходящей для решения задачи формирования стока была признана ЦМР GMTED2010 ввиду доступности для использования, приемлемой точности и быстроты работы с моделью. Эта модель находится в открытом доступе.
Моделирование речного стока
Для определения русла потока жидкости ЦМР рассматривается как поверхность, составленная из горизонтальных ячеек фиксированной высоты. Жидкость «вытекает» из ячейки и распределяется межу теми из ее соседей, высота которых меньше центральной ячейки. В ходе выполнения гидрологического моделирования учитывается и анализируется ряд характеристик процесса и особенностей местности.
Направление стока. В ArcGIS Desktop реализован алгоритм направления стока Deterministic Eight Neighbor (D8). В соответствии с ним поток из рассматриваемой ячейки целиком направляется в ту из восьми соседних, которая имеет, во-первых, меньшую высоту и, во-вторых, наибольший уклон линии, соединяющей центр текущей ячейки с центром соседней. Выходными данными инструмента «Направление стока» является целочисленный растр (рис. 1), значения которого находятся в диапазоне от 1 до 255 в зависимости от направления стока [2].
Рис. 1. Растр направления стока.
Локальные понижения. Чтобы обеспечить корректную работу алгоритма D-8, необходимо предварительно устранить в ЦМР так называемые локальные понижения. Локальные понижения (и пики) представляют собой небольшие ошибки, возникающие из-за пространственного разрешения используемых данных или округления высот до ближайшего целого значения. Локальные понижения должны быть заполнены для обеспечения более корректного выделения бассейнов и водотоков. Если локальные понижения не заполнены, в выделенной дренажной сети могут возникать разрывы (рис. 2).
Рис. 2. Цифровая модель рельефа после заполнения локальных понижений.
Эта задача в ArcGIS Desktop может быть реализована с помощью инструмента «Заполнение». Выполнение данного инструмента — это процесс, повторяющийся до тех пор, пока не будут заполнены все локальные понижения с учетом заданного ограничения по Z (по высоте) [2].
Суммарный сток. На основе растра направления стока формируется растр суммарного стока (инструмент «Суммарный сток»), каждая ячейка которого определяется как сумма весов для всех ячеек, которые стекают в каждую ячейку, расположенную вниз по склону.
Ячейки с неопределенным направлением стока будут только накапливать поток; они не будут вносить вклад в сток в направлении вниз по склону. Считается, что ячейка имеет неопределенное направление стока в том случае, если ее значение в растре направления стока не равно 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 или 128. Выходные ячейки с высоким суммарным стоком – это участки концентрированного стока; они могут быть использованы для определения русел водотоков [2].
Сеть водотоков. Сети водотоков могут быть выделены из ЦМР с использованием выходных данных инструмента «Суммарный сток», применяя пороговое значение с помощью инструмента «Условие» или «Установить ноль». Величина порогового значения для идентификации водотоков будет соответствовать верхнему течению малых рек и ручьев. Максимальные значения кумулятивного стока имеют ячейки, соответствующие руслам крупных рек (рис. 3). Для того чтобы выделить не только крупные, но и малые реки, а в последующем выделить границы водосборов, необходимо установить минимальное пороговое значение кумулятивного стока, соответствующее характеристике водотоков. В нашем случае минимальное пороговое значение установлено равным 2е+003.
Рис. 3. Сеть водотоков.
Порядок водотоков. Порядок водотоков определяет и классифицирует водотоки на основе количества их притоков (рис. 4). Сегментам водотоков вверх по течению, или внешним связям всегда присваивается порядок 1. Чем выше порядок сегмента водотока, тем больше его суммарный сток.
Рис. 4. Порядок водотоков.
Водосборная область. Водосборная область — это область вверх по склону, которая распределяет сток в общую точку слива (точку устья). Границы между водосборами называются линиями разграничения стока. Водосборные области выделяются из ЦМР путем вычисления направления стока и его использования в инструменте «Водосборная область» (рис. 5).
Рис. 5. Водосборные области.
Для автоматического выделения водосборной области необходимо установить точки устья, соответствующие линиям расчетного дренажа. Рекомендуется устанавливать точки устья вблизи гидропостов так, чтобы они находились точно на оси расчетных потоков (дренажа).
Для обеспечения выборки точек с высоким суммарным стоком при выделении водосборных бассейнов используется инструмент «Привязка точки устья». Этот инструмент будет выполнять поиск ячеек с наивысшим суммарным стоком в пределах величины допуска вокруг заданных точек устьев и сдвигать точку устья в это положение.
Векторизация растра водосборов. Для расчета площади водосбора и различных морфометрических параметров необходимо конвертировать его контур в векторный формат. Водосборную область можно конвертировать, используя инструмент «Растр в полигоны» в группе инструментов «Конвертация».
Определение границ подтопления на основе ЦМР
Одним из методов определения зон подтопления средствами ГИС является метод превышений [3]. Для выявления затопленной территории используются исходная цифровая модель рельефа и модель секущей плоскости водной поверхности при подъеме уровня воды на заданную высоту. Секущая плоскость должна также учитывать уклон реки, т.е. иметь постоянное понижение вдоль ее русла. В качестве такой модели используется растр, содержащий данные об урезах воды. Прибавляя с помощью Калькулятора растра к данному растру значение ожидаемого подъема уровня воды (одинаковое на всей области расчета) и вычитая цифровую модель рельефа, можно определить область затопления (в которой результат вычисления окажется больше нуля).
Для расчета зоны затопления при половодье необходимо ввести в «Растровый калькулятор» соответствующее выражение:
(Model + H — GMTED) < 0,
где Model – значения урезов, H – заданная высота подъема уровня воды, GMTED – цифровая модель рельефа.
Результатом вычисления будет являться созданный бинарный растр, в котором значение «1» соответствует затопленной территории, а «0» – незатопленной.
Далее необходимо конвертировать полученный бинарный растр в векторное представление данных, чтобы использовать его для выполнения пространственных операций: например, вычислять площади подтопления, длину затопленных дорог, количество зданий, попадающих в зону подтопления, и т.п.
Алгоритм выделения зон подтопления реки Белая
Алгоритм определения границ зон подтопления изучаемой территории с использованием инструментов ArcGIS и ЦМР представлен на рисунке 6.
Рис. 6. Блок-схема алгоритма определения зоны подтопления.
В начале, с помощью инструмента «Заполнение» устраняются локальные понижения ЦМР, препятствующие корректной работе алгоритма расчета стока. Затем рассчитывается направление стока в заданной области и строится растр суммарного стока. Руководствуясь схемой гидрологических постов, вручную производится расстановка точек устья, чтобы отделить водосбор анализируемой реки от других водосборов. Расставленные точки устья, находящиеся в векторном формате, переводятся в растровый формат и привязываются к растру суммарного стока. С помощью инструмента «Водосборная область» производится выделение водосборной области анализируемой территории. Затем водосборная область переводится в векторный формат с помощью инструмента «Растр в полигоны» и выбирается водосборная область реки Белая. На основе схемы водосбора и ЦМР создается модель урезов. Далее производится конвертация модели урезов в растровый формат с помощью инструмента «Полигоны в растр». Вычисление зон подтопления различной обеспеченности осуществляется с помощью «Калькулятора растра» согласно приведенной выше формуле. Наконец, для определения площади зоны подтопления и выявления населенных пунктов, затронутых подтоплением, осуществляется конвертация зон подтопления в векторный формат.
Анализ и оценка результатов
С использованием набора инструментов «Гидрология» дополнительного модуля ArcGIS Spatial Analyst был реализован вышеприведенный алгоритм, созданы слои зон подтопления при прохождении половодий различной обеспеченности и построены тематические карты [4]. В работе были смоделированы подтопления при весенних половодьях 5%, 1% и 0,1% обеспеченности (рис. 7).
Рис. 7. Зоны подтопления различной гидрологической обеспеченности.
Для оценки точности результатов расчетов по использованной методике было произведено их сравнение с фактическими данными подтоплений на реке Белой по городу Уфа Государственного комитета республики Башкортостан по чрезвычайным ситуациям 2017 года [5]. Получены схожие результаты, что позволяет сделать вывод о работоспособности примененного нами метода с использованием разработанного алгоритма для гидрологического моделирования зон затопления в различных регионах.
Заключение
Разработанный алгоритм моделирования зон подтопления служит информационной основой для решения задач прогнозирования наводнений и аварийных разливов. Их наглядное отображение совместно с экологической ситуацией на карте позволит своевременно предотвратить возможные чрезвычайные ситуации и эффективно решать задачи по устранению или минимизации последствий опасных гидрологических явлений.
Литература
- Пьянков С.В. Геоинформационное обеспечение моделирования гидрологических процессов и явлений: монография / С.В. Пьянков, А.Н. Шихов; Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2017. – 148 с., ил.
- Калинин В.Г., Пьянков С.В. Гидрография. Определение гидрографических характеристик рек и их водосборов с применением цифрового картографического моделирования: учеб. Пособие / Перм. гос. нац. исслед. ун-т. – Пермь, 2013. – 71 с.
- https://desktop.arcgis.com/ru/arcmap/10.5/tools/spatial-analyst-toolbox/an-overview-of-the-hydrology-tools.htm
– справочные данные ArcGISDesktop. - Myshko R.A., Kurakina N.I., Kovchik V.S. Geoinformational generalized flow formation model for solving problems of prognostication and emergency prevention Proceedings of the 2019 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering, ElConRus 2019. 8657086, с. 1314-1317.
- https://gkchs.bashkortostan.ru/activity/1788/
– государственный комитет Республики Башкортостан по чрезвычайным ситуациям, данные по паводкам за 2017 год.
