Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.35, доктор технических наук Яковченко, Спартак Геннадьевич

• Яковченко, Спартак Геннадьевич
• доктор технических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор технических наук Яковченко, Спартак Геннадьевич

Введение.

Глава 1. Методические подходы к созданию инженерно гидрологических ГИС.

1.1. Определения и термины, используемые в понятии о гидрологических ГИС.

1.2. Современное состояние и актуальность применения ГИС в гидрологии.

1.3. Методические подходы к созданию гидрологических ГИС.

1.4. Особенности технологии создания ГГИС.

1.5. Выводы.

Глава 2. Универсальная цифровая модель местности (УЦММ) для задач инженерной гидрологии.

2.1. Цифровые картографические данные, используемые в УЦММ и методики их создания.

2.2. Технология создания ЦМР для УЦММ.

2.3. Блок расчета и пространственной интерполяции полей гидрометеорологических элементов.

2.5. Выводы.

Глава 3. Методическое обеспечение структуризации местности и поэлементного расчета ее гидрологических характеристик.

3.1. Блок выделения структурных и расчетных элементов речного водосбора.

3.2. Блок вычисления характеристик речного водосбора и его расчетных элементов.

3.3. Технология создания псевдорельефа для решения проблемы отсутствия цифровых карт крупного масштаба.

3.4. Выводы.

Глава 4. Универсальная модель ГГИС.

4.1. Объекты и процессы ГГИС.

4.2. Основные блоки ГГИС.

4.3. Программные средства, используемые при реализации универсальной модели ГГИС.

4.4. Универсальная модель ГГИС.

4.5. Блок оценки характеристик затопления паводками и волной прорыва плотины с помощью ГИС - пример реализации механизма адаптации путем синтеза.

4.6. Блок оценки параметров стока - пример реализации механзма адаптации путем создания отдельных программных комплексов.

4.7. Выводы.

Глава 5. Предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС.

5.1. Примеры использования ГГИС при расчетах русловой трансформации.

5.2. Использование ГГИС для ведения реестра водных объектов и водохозяйственных расчетов.

5.3. ГГИС приложения для расчета затопления паводком различной обеспеченности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии»

Актуальность темы и состояние исследований. В последние десятилетия геоинформационные системы стремительно проникают практически во все сферы человеческой деятельности, связанные с пространственным анализом и моделированием природопользовательских процессов. Задачи построения геоинформационных структур, функций и методов управления данными, их анализа, приспособленных для обработки разнородных, неупорядоченных потоков информации в предметных областях, стали важнейшими в геоинформатике. Инженерная гидрология является одним из потенциальных потребителей геоинформационных технологий, что обусловлено большими объемами используемой в ней пространственной информации, сложностью и специфичностью её обработки.

Проблемой инженерной гидрологии является отсутствие единого, масштабированного, открытого для исследователей и пользователей-гидрологов, информационного банка, характеризующего состояние гидроресурсов территории и их использование. Источник этой проблемы - разбросанность пространственных и мониторинговых данных по ведомствам, их неполнота, отсутствие систематичности, несогласованность, а также усложненный порядок доступа к существующей информации. Такое состояние дел усугубляется неадекватностью используемых гидрологических моделей для обработки современных массивов данных и отсутствием соответствующих технологий автоматизированного расчета пространственных гидрологических характеристик и структуризации территории. Необходимо решение гидрологических задач в условиях минимума информации, что требует их глубокой проработки и анализа с целью получения максимально возможной полноты решения.

Отсутствие предметно-ориентированных геоинформационных моделей затрудняет решение основных задач гидрологии. К ним относятся: создание реестра водных объектов, оценка стока вод, характеристик затопления местности паводками и волной прорыва при разрушении гидротехнических сооружений (ГТС), характеристик водопользования и водообес-печенности территорий в водохозяйственных расчетах.

В связи с этим необходима разработка методических подходов, геоинформационных моделей, методов и критериев построения предметно-ориентированных ГИС широкого и разномасштабного пространственного охвата инженерно-гидрологических задач (далее гидрологические ГИС или ГГИС). Создание таких ГГИС должно базироваться на комплексных методических, информационных и программных решениях, обеспечивающих эффективную реализацию задач инженерной гидрологии в рамках единого информационного поля. Создание этого поля базируется на универсальных цифровых моделях местности (УЦММ), включающих цифровую модель рельефа (ЦМР). В связи с этим создание геоинформационных систем в инженерной гидрологии на основе современных типовых ГИС является актуальной проблемой, имеющей большое научное и практическое значение.

Результаты диссертационной работы являются обобщением десятилетних исследований и разработок автора в области ГИС-технологий и их приложений. Диссертационные исследования выполнялись в течение 19992005 гг. в рамках госбюджетной темы «Гидрологические и экологические процессы в речных системах и их водосборных бассейнах в различных природных зонах Сибири»; интеграционных проектов 2000-2002 г. "Обь-Иртышская бассейновая система: формирование, антропогенная трансформация, экологическое состояние и стратегия водопользования", 20022005 г.г. "Геоинформационные ресурсы Алтайского экорегиона как основа для мониторинга, моделирования и прогнозирования динамики взаимодействия "человек-окружающая среда"", 2002-2005 г.г. "Анализ и моделирование экстремальных гидрологических явлений в целях разработки мероприятий по предотвращению неблагоприятных последствий и минимизации ущерба на водных объектах Сибири", 2002-2005 г.г. "Глобальная и региональная трансформация водного и химического стока в бассейне Оби под воздействием природных и антропогенных факторов"; НИР ИВЭП СО РАН; " хоздоговорных тем ИВЭП СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий [227-257], включавших проведение инженерно-гидрологических расчетов в выбранном наборе задач; гранта РФФИ 99-0564600.

Предметом исследования является геоинформационная система в инженерной гидрологии.

Объектом исследования являются взаимосвязанные параметры гидрологического объекта (река, речная система, озеро), интегрируемые в рамках специализированной геоинформационной системы.

Цель и задачи исследований. Цель диссертации заключается в разработке комплексного обеспечения рациональных решений задач инженерной гидрологии на основе специализированных ГИС, их аналитического аппарата и программных решений в форме ГГИС-приложений.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. разработать и обосновать методические подходы к созданию ГГИС;

2. создать единую информационную основу задач инженерной гидрологии - универсальную цифровую модель местности (УЦММ);

3. разработать алгоритмы структуризации местности, поэлементного расчета ее гидрологических характеристик и оценить влияние шага дискретизации и масштаба исходных данных на корректность расчета;

4. построить универсальную модель ГГИС для решения задач инженерной гидрологии;

5. разработать предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС-приложений;

6. апробировать созданные ГГИС - приложения на задачах инженерной гидрологии.

Методы исследований. В работе использовались:

• методы системного анализа и функционального моделирования - для обоснования подхода к построению универсальной модели ГГИС и УЦММ;

• методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерной обработки данных, картографической алгебры, включая интерполяцию пространственных данных, - для решения задач разработки и реализации УЦММ, расчета полей гидрометеорологических характеристик, структуризации местности;

• методы проектирования концептуальных и логических схем БД, организации информационных сред и доступа к ним, методы сбора, хранения, преобразования и отображения пространственно-распределенных данных - для создания ГГИС-приложений.

Исходными материалами являются стандартные гидрометеорологические и гидрохимические наблюдения Гидрометслужбы за многолетний период, цифровые топографические карты различных масштабов на территорию Верхней Оби, в том числе созданные под научным руководством и при непосредственном участии автора, в ходе выполнения работ по грантам, программам НИР и хоздоговорным темам, цифровые ландшафтные карты, созданные в ИВЭП СО РАН и ИГ СО РАН, фондовые и литературные материалы по моделированию водного и гидрохимического стока, параметрам ГТС.

Литературные источники включают как материалы отечественных исследований, так и зарубежные публикации по вопросам использования ГИС для гидрологических расчетов.

Защищаемые положения: 1. Создание ГГИС в условиях неполноты и затрудненного доступа к информации о гидрологическом состоянии территории должно основываться на адаптации к задачам инженерной гидрологии подхода, ориентированного на данные.

2. Целевая установка и принцип гидрологической согласованности определяют необходимые условия, а ГИС-интеграция информационных потоков топографических данных, ДДЗ, фондовых и мониторинговых данных и их производных - достаточные условия построения УЦММ.

3. Введение критерия структуризации территории и точности расчета её гидрологических характеристик обеспечивает рациональный выбор параметров УЦММ - шага дискретизации и масштаба.

4. Выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС.

5. Целенаправленное объединение функциональных единиц согласно предметно ориентированным программным решениям создает необходимые условия адаптации ГГИС к широкому кругу задач инженерной гидрологии в форме ГГИС-приложений.

6. Реализация ГГИС в форме ГГИС - приложений снижает непроизводительные затраты и повышает качество обработки информации, по сравнению с типовыми ГИС, обеспечивая адекватность принимаемых пользователями-гидрологами решений.

Достоверность. Научные положения и выводы обоснованы:

• использованием широко апробированных методов проектирования геоинформационных систем, методов картографической алгебры и методик гидрологических расчетов;

• преимуществами разработанных цифровых моделей рельефа и моделей гидрометеорологических характеристик над известными аналогами вследствие расширения номенклатуры исходных данных, по сравнению с известными методическими подходами, и корректностью использования пространственных зависимостей исследуемых величин, полученных на основе апробированных моделей;

• допустимым расхождением цифровых моделей с точным картографическим расчетом по картам крупного масштаба;

• сравнением полученных распределений величин (солнечной радиации) с известными аналитическими результатами (расхождение не более 4-10 %);

• результатами практического применения созданных ГГИС-приложений для водных объектов бассейна Верхней Оби.

Научная новизна заключается в следующем:

• Разработаны методические подходы к построению предметно-ориентированных ГГИС для решения задач инженерной гидрологии, отличающиеся от существующих учетом региональной специфики (доступность и тип исходных данных, особенности региональных методик гидрологических расчетов).

• Создана универсальная цифровая модель местности, отличающаяся мно-гомасштабностью и разнородностью цифровых картографических материалов и способами целевой интеграции и использованием этих материалов в инженерно-гидрологических расчетах. В ее рамках предложен подход к расчету полей метеоэлементов средствами картографической алгебры, основанный на разделении методов интерполяции по масштабу пространственной неоднородности.

• Разработаны методики расчета ряда характеристик территории (уклон речной сети, длина склонов и др.) и введен критерий рационального выбора параметров УЦММ (шаг дискретизации и масштаб данных) для их расчета.

• Построена универсальная модель ГГИС, основанная на комплексном использовании данных полевых исследований и ДЗ, картографических и архивных данных. Модель обладает механизмами адаптации к типу и объему используемой информации в условиях её недостаточности.

• Разработаны программные решения для типовых задач инженерной гидрологии, включая реестр водных объектов, оценку стока вод и характеристик затопления, водопользования и водообеспеченности территорий. Решения отличаются механизмами настройки на тип имеющихся исходных данных.

• Созданные ГГИС - приложения (их методический аппарат и структуры) апробированы в ходе комплексных полномасштабных испытаний на водных объектах бассейна Верхней Оби, в результате которых была получена новая информация об их динамическом состоянии (водохозяйственные характеристики, зоны затопления паводками, реестр водных объектов и др.).

Научная значимость результатов работы состоит в создании методического обеспечения для построения адаптивных специализированных ГИС, предметно-ориентированных на решение задач инженерной гидрологии, реализация которых базируется на созданном универсальном геоинформационном инструменте - УЦММ посредством развития функциональных единиц, оперирующих разнородными и разномасштабными данными.

Практическая значимость результатов работы состоит в следующем: •Предложены подходы к интеграции разномасштабных и разнородных векторных и растровых топографических данных и ДДЗ, которые на порядок снижают затраты на решение гидрологических задач при отсутствии цифровых данных по рельефу крупного масштаба.

•Даны рекомендации по созданию УЦММ для различных типов гидрологических расчетов, которые минимизируют объем работ по созданию цифровых картографических материалов. На основе интерполяции полей гидрометеорологических величин с учетом ландшафтной зависимости получены недостающие данные для бассейнов рек Кондома и Бия. •Создано программное обеспечение (ПО) для расчета максимального стока изученных и неизученных рек ("Гидростатистика" и "Паво-док&Половодье"), параметров водосборов ("Snipcalc") и расхода реки в створах ("Морфоствор"), оценки затопления волной прорыва при разрушении ГТС ("Floodcalc"), а также "Реестр водных объектов", ориентированное на пользователя-гидролога.

• Разработаны методические рекомендации по целевому построению ГГИС пользователем-гидрологом, ориентирующие его на комплексное решение задач на основе базового класса. Рекомендации охватывают задачи оценки русловой трансформации и максимального стока, построения полей гидрометеоэлементов и оценки зон затопления паводком, волной прорыва, вклада территории в гидрохимический сток, а также подготовки первичных данных.

Личный вклад автора.

Рассматриваемые в диссертации исследования и практические работы выполнены в лаборатории гидрологии и геоинформатики Института водных и экологических проблем СО РАН и ЗАО "Центр инженерных технологий" в рамках обозначенных ранее тем, по которым автор являлся научным руководителем (или соруководителем) и/или ответственным исполнителем. Защищаемые и составляющие новизну результаты получены лично автором. К результатам, приведенным в содержательной части, полученным в неделимом соавторстве, относятся методики учета дополнительной информации при создании ЦМР и расчета гидрологических характеристик подстилающей поверхности, критерий структуризации территории и точности расчета её гидрологических характеристик, модель уровней водной поверхности для оценки зон затопления в паводок (совместно с Постновой И.С.), программные решения для основных задач инженерной гидрологии (выполнены совместно с коллективами указанных организаций).

При проведении расчетов стока применялась концепция стохастического моделирования русловой трансформации, предложенная Д.А. Бура-ковым.

При оценке возможности использования мелкомасштабных цифровых карт при проведении гидрологических расчетов была использована идея Ю.Б. Виноградова о том, что соотношение морфологических и ландшафтных характеристик водосборов, определяемых по картам разного масштаба, отличается для различных ландшафтных зон.

При разработке подхода к расчету полей метеоэлементов в ГИС использована схема интерполяции снегозапасов, предложенная В.А. Шутовым.

Реализация результатов работы: Разработанные программы "Гидростатистика", [18]; "Паводок&Половодье", [22], "Морфоствор", [19], "Snip-calc", [133], "Floodcalc", [127], "Реестр водных объектов" [38] внедрены и применяются для проведения гидрологических расчетов в организациях ОАО "Алтайавтодор", ОАО "Алтайводпроект", ОАО "ТомскНИПИНефть ВНК", ОАО ТорноАлтайскавтодор", ОАО "Сибгипротранс ИВЭП СО РАН, ИГ СО РАН, ИУУ СО РАН, Верне - Обском БВУ, Кемеровском ГУПР, Алтайском ГУПР и ряде других.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы, отдельные ее положения докладывались на научном семинаре ИВЭП СО РАН, региональных научных и научно-практических конференциях и совещаниях, конференциях всероссийского и международного уровня, из которых приведем последние. Международные научные конференции: «Проблема устойчивого развития общества и эволюция жиз-ненных сил населения Сибири на рубеже XX - XXI веков» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 4» (Барнаул, 1998), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 5» (Якутск, 1999), «Фундаментальные проблемы воды и водных ресурсов на рубеже третьего тысячелетия» (Томск, 2000), ENVIROMIS 2002 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2002), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 8» (Санкт-Петербург, 2002), по проблемам рек Обь-Иртышского бассейна (Усть-Каменогорск, 2003), "Society and Environment International under Global and Regional Changes" (Москва-Барнаул, 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 9» (Новороссийск

Севастополь 2003), «ГИС для устойчивого развития территорий: Intercarto 10» (Владивосток-Чаньчунь, 2004), ENVIROMIS 2006 «Измерения, моделирование и информационные системы как средства снижения загрязнений на городском и региональном уровне» (Томск, 2006). IX Всероссийский гидрологический съезд (Санкт-Петербург, 2004), Международная научно - практическая конференция Теоинформатика-2000" (Томск, 2000), Международная конференция "Научный конгрессе ГЕО-Сибирь-2005" (Новосибирск, 2005), Международная конференция "Научный конгресс ГЕО-Сибирь-2007" (Новосибирск, 2007), Международная конференция и школа молодых ученых по вычислительно-информационным технологиям для наук об окружающей среде Cites - 2005 (Новосибирск, 2005); а также Всероссийские научные конференции: "Экология ландшафта и планирование землепользования", (Иркутск, 2000), "Современные проблемы стохастической гидрологии" (Москва, 2001). Научная конференция "Фундаментальные проблемы изучения и использования воды и водных ресурсов" (Иркутск, 2005).

Публикации. Автором опубликовано 89 работ. Основное содержание диссертации изложено в 46 публикациях, в том числе в 1 монографии, 8 публикациях в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, 4 свидетельствах на программные продукты, зарегистрированных в РОСАПО.

Объем и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, 5 приложений, библиографии из 257 наименований, 73 рисунков и 36 таблиц. Общий объем работы - 408 страниц.

Заключение диссертации по теме «Геоинформатика», Яковченко, Спартак Геннадьевич

4.7. Выводы

Разработана универсальная геоинформационная модель ГГИС, включающая в себя набор данных в форме базовой универсальной цифровой модели местности (УЦММ) и специфичных геоинформационных операций над ними, а также приемы их использования, обеспечивающие реализацию инженерных гидрологических, в которых задействованы пространственно распределенные данные. Показано, что выявление функциональных единиц для реализации задач инженерной гидрологии и их организация в соответствующие блоки создает программно-алгоритмическую основу построения ГГИС. Для большинства инженерных задач достаточен набор встроенных операций ГИС, организованных в пакеты. Приемы обработки данных включают как стандартные ГИС-операции, так и специализированные блоки в составе 5 единиц для проведения полномасштабного геоинформационного моделирования. Определен состав целевых функциональных блоков, выполненных в форме библиотеки пакетов операций картографической алгебры и программных комплексов, и предложены механизмы адаптации программного обеспечения ГГИС к варьируемым в широком диапазоне типу и объему используемой информации. Основными механизмами адаптации являются:

1. Интеграция и синтез существующих разнотипных данных о гидрологических характеристиках территории в УЦММ. При этом внешние по отношению к блоку подготовки УЦММ функциональные блоки ГГИС обеспечивают реализацию части алгоритма решения задачи, общей для всех наборов исходных данных.

2. Создание отдельных программных комплексов для обработки различных типов входной информации при реализации блоков ГГИС и ГГИС приложений.

Первый механизм реализован на примере подхода с созданием псевдорельефа, используемого в блоках расчета структурного деления и характеристик территории и блока оценки характеристик затопления. Второй механизм реализован в блоке оценки стока, являющемся типичным примером использования УЦММ в рамках ГГИС.

Рассмотрена реализация блока расчета характеристик затопления, разработанного для подготовки данных для расчета уровней затопления в створах водного объекта и расчета зоны затопления и её характеристик по известным уровням в форме программно алгоритмической реализации на языке EML ГИС ArcView. Функции блока позволяют провести расчет пространственных характеристик затопления заданной водной поверхностью переменной высоты и расчет морфометрических характеристик затапливаемой долины, в том числе, зависимости живого сечения, ширины водного потока от уровня, а также поперечников долины и топологической принадлежности зоны затопления (левобережная и правобережная).

Описана реализация блока оценки стока ГГИС, решающего задачу оценки характеристик стока с изученных и неизученных территорий и, в частности, определения экстремальных характеристик гидрологического режима в произвольном створе реки на основе УЦММ. Блок организован в форме трех независмых друг от друга программных приложений, два из которых ("Гидростатистика" и "Паводок&Половодье") могут работать без использования настольной ГИС, а третье ("SnipCalc") реализовано средствами ГИС ArcView. Данные приложения позволяют провести оценку стока с изученной и неизученной территории различной степени точности, зависящей от набора входящих в УЦММ исходных данных. В ходе создания данных программных комплексов найден ряд новых алгоритмико-программных решений, в том числе:

• Найдены объяснение и аналитическая формулировка известной проблемы особых точек, возникающей при использовании распределения Крицкого-Менкеля.

• Предложена технология создания набора данных для программной реализации решения гидрологических задач, использующих неизменный набор карт для определения и расчета параметров территории.

Глава 5. Предметно-ориентированные программные решения для реализации ГГИС

5.1. Примеры использования ГГИС при расчетах русловой трансформации

5.1.1. Применение моделей русловой трансформации в гидрологии

Создание моделей русловой трансформации для крупных речных бассейнов позволяет прогнозировать сток в замыкающем створе за несколько дней и даёт возможность оценить пространственное распределение стока в реальном времени для территории бассейна. Такие модели со стохастическим расчетом добегания применялись рядом исследователей [6,7,8,41,43] для различных сибирских рек. Использование геоинформационных технологий при создании таких моделей позволяет существенно повысить степень дискретизации и дифференциации территории бассейна и уменьшает трудоемкость подготовки и обработки исходной картометриче-ской информации. В нашей работе [129] рассмотрены некоторые аспекты применения ГИС-технологий при создании модели русловой трансформации в бассейне р. Томи.

5.1.2. Основные особенности моделей русловой трансформации на базе использования функции добегания

Остановимся кратко на основных особенностях моделей русловой трансформации, основанных на использовании функции добегания.

Прежде всего, бассейн разбивается на частные водосборы (зоны), размер которых вдоль русла главной реки не превышает некоторой характерной величины (180 км для бассейна р. Томь). Замыкающие створы зон, как правило, являются точкой впадения в реку более высокого порядка или связаны с положением пунктов наблюдения сети Роскомгидромета. Зона делится на лево- и правобережную части, в каждой из которых проводятся эквидистанты (линии одинаковых расстояний до замыкающего створа) вдоль главного русла и, в случае водосборов с транзитным стоком, вдоль боковых притоков от главного русла.

Для расчета бокового притока используется метод аналогов. Для его применения необходимо знать внутризонное распределения площади, лесистости, густоты речной сети. Это распределение применяется для сравнения зон, выделения аналогов и определения функций трансформации стока.

В качестве аналогов рассматриваются бестранзитные зоны, имеющие в замыкающем створе постоянные наблюдения за стоком. Аналоги выбираются на основе рассмотрения тесноты связи бокового притока зоны со стоком имеющихся бассейнов. Сток в створах зон с отсутствием гидрологических наблюдений определяется по выбранным аналогам. Выделяются зоны без транзитного стока и с наличием транзитного стока.

Для первых расход на замыкающем створе зоны к определяется выражением а) для аналогов: б) для прочих или при отсутствии данных за моделируемый период: где К™ =1™ -FJFm - коэффициент стоковой приводки (rj™ определяется оптимизацией, в первом приближении равна 1). Параметр Т в интеграле здесь и далее равен t, как это обычно принимается (см. [7]), но более корректным математически и физически представляется принять его постоянным и равным максимальному интервалу времени, при котором функция остаточной трансформации не равна фактически нулю. Для расчета функции остаточной трансформации между m и п зонами f°rm (г) достаточно знать её моменты, определяемые через разности моментов распределений площадей участков зон, вычисляемых как:

5.1а) т

5.16) N

5.2) где /" - относительная доля площади участка между j-й и j-1-й эквидистантой в полной площади участка. При этом парциальные моменты участков вычисляются по формулам, предложенным Д.А. Бураковым [7].

Для транзитных зон сток в замыкающем створе Qn(t) делится на две части - транзитный qn(t) и сток боковых притоков q,f (t). При этом сток боковых притоков разделяется еще на две части - сток левобережной и правобережной зон (0, qbn\2(0:

Qn(t)=qn{t)+qbn(0 + ^(0 • (5-3)

Транзитный сток зоны п рассчитывается по сумме притоков во входных створах qlxod(t) и функции трансформации: о=]fiw;od(t-i)di. (5.4) о

Моменты для расчета функции трансформации транзитного притока на п-м участке (г),согласи о [7], определяются с использованием гп - среднего времени добегания вдоль русла зоны, Ln - полной длины русла вдоль зоны.

Боковой приток рассчитывается для каждой из правобережной и левобережной зон отдельно с использованием данных по аналогам (аналоги могут быть как одинаковыми, так и различным для каждой зоны) и функции остаточной трансформации. Боковой приток подзоны 5 (^=1 - левобережная, s~2 - правобережная) рассчитывается по формуле: q'iM) = К, ■ )fn0Lmtit-i)di, (5.5) о где K"s = r]n's ■ F„ s / Fm - коэффициент стоковой приводки (rj'"s - определяется оптимизацией и в первом приближении равна 1). Моменты функции остаточной трансформации f°'!ns(i) определяются через моменты распределения времен добегания при движении в главном русле и в боковых притоках подзон зоны п.

Соответствующие формулы для моментов приводятся в [41], причем используются коэффициенты С, определяемые для трансформации в главном русле как:

Здесь введены определения: (р""н - относительная доля площади частного водосбора участка русла, расположенного на расстоянии [/(/-1).//] от замыкающего створа подзоны s зоны п; у/"-" - относительная доля площади между эквидистантами j-1 и j, проведенными по боковым притокам от главного русла подзоны s зоны п (относительные доли понимаются как доли от площади подзоны s зоны п Fns).

В качестве функции трансформации как транзитного стока, так и боковой приточности обычно используется функция распределения Бровко-вича.

Описанная выше расчетная схема упрощена и не учитывает, например, различий густоты речной сети и гипсометрических кривых для зоны аналога и расчетной зоны.

5.1.3. Применение ГГИС для оценки параметров модели русловой трансформации

Анализ расчетной схемы приводит к выводу, что целесообразно применять ГИС-технологии для уменьшения трудоемкости расчетов в трех основных блоках [129]: а) при расчете деления территории на участки, с помощью функций блока ГГИС расчета структурного деления территории; б) при определении характеристик участков, используемых далее при сравнении и расчетах (в частности, определение коэффициентов С и пар

5.6)

5.7) циальных моментов участков), с помощью функций блока ГГИС расчета характеристик территории; в) при выборе аналогов и районировании (через расчет характеристик зон) с помощью функций блока ГГИС расчета параметров территории.

Рассмотрим реализацию этих этапов для бассейна р. Томи [129].

Бассейн (около 60 ООО км2) был разбит на 91 зону, длина каждой зоны вдоль русла не превышала 180 км (Рисунок 5.1).

Величина шага между эквидистантами при делении бассейна I была выбрана равной 20 км.

В том числе были выделены:

1. 37 зон с отсутствием транзитного стока. Из них 19 замыкаются пунктами гидрологического мониторинга и могут использоваться как аналоги;

2. 42 транзитные зоны с наличием транзитного стока;

3. 12 транзитных зон, боковым притоком для которых можно пренебречь. Для этих зон длина вдоль русла была меньше /.

Для бестранзитных зон были проведены эквидистанты и рассчитаны параметры межэквидистантных площадок.

Для транзитных зон главное русло было разбито на участки длины /, для каждого участка построены лево- и правобережный субводосборы, для

Рисунок 5.1. Деление на расчетные участки бассейна р.Томи каждого из которых, в свою очередь, проведены эквидистанты бокового притока через /. Для полученных площадок были рассчитаны соответствующие параметры (по технологии, описанной в публикациях [132,133]). Всего были рассчитаны параметры для 264 площадок (площадь, средний уклон, средняя высота, залесенность, средняя склоновая длина, дренажный уклон, густота речной сети).

Далее были вычислены моменты функций распределения межэквидистантных площадок (по площадям) и на их основе моменты функций трансформации бокового и транзитного притоков для каждого из участков. Этим исчерпывается задача подготовки исходных параметров для моделирования.

Таким образом, в нашем случае использовалось разделение территории на расчетные элементы следующих типов

1) склоновая часть, русловая часть;

2) зоны постоянной длины добегания;

3) водосборы, в том числе отдельно левый и правый.

Порядок такого деления описан нами в разделе 3.1.4.

Расчет морфометрических характеристик зон позволяет использовать полученные данные при первоначальном выборе аналогов для расчетных зон и оценке параметров функций трансформации.

В качестве примера приведем фрагмент таблицы характеристик зон (Таблица 5.1).

Список литературы диссертационного исследования доктор технических наук Яковченко, Спартак Геннадьевич, 2007 год

1. Административно-территориальный блок список административных районов, принадлежность водного объекта и его водосбора к административным районам; список населенных пунктов, их географические координаты, принадлежность к водным объектам и их водосборам

2. Рисунок 5.3. Схема данных и программных запросов, входящих в состав ГГИС "Реестр водных объектов Алтайского края

3. Е<* Bew Itieme SMphres XTools Window Help Реестр

4. Рис. 5.4. Примеры реализации запросов в ГГИС "Реестр водных объектов Алтайского края"

5. ГГИС для проведения водохозяйственных расчетов для участка1 I I

6. Рисунок 5.5. Схема данных и программных запросов, входящих в состав ГГИС для проведения водохозяйственных расчетов для участка р.Оби

7. Административно-территориальный блоксписок административных районов, принадлежность водного объекта и его водосбора к административным районам; список населенных пунктов, их географические координаты, принадлежность к водосборам пунктов

8. Простейшие примеры расчета коэффициентов следующие.

9. Створ измерения стока находится на реке 1. Расчетный створ наFходится на реке 1. Тогда Yp=-^--Yl.

10. Створы измерения стока находятся вблизи замыкающих створов рек 1 и 2, образующих при слиянии реку 3. Расчетный створ находится на реке 3 вблизи слияния рек 1 и 2. В этом случае выражение для расчетного стока:

11. С full р pjull р у 1 1 Р у , Р ур Fx ' Fxfutl + F2fu" F2 F/^'+Ff" Коэффициенты определяются экспертным путем, иногда с дополнительным привлечением функций блока ГГИС оценки параметров стока.