Геоинформационная система гидрологического назначения в Самарской области

      По территории Самарской области протекает более 200 малых и средних рек, принадлежащих водосборному бассейну реки Волга. Большая часть рек, включая Волгу, относится к водотокам преимущественно снегового питания, его доля в годовом стоке составляет 50-80% (рис. 1).

Самарский участок Волги в настоящее время представляет собой каскад водохранилищ речного типа – результат гидротехнических преобразований 50-90-х годов XX века. В пределах области на реке Волга расположены Куйбышевское и Саратовское водохранилища, существенно изменившие природообусловленное строение речной сети (рис. 2).

Куйбышевское водохранилище - крупнейшее в Европе. Через створ Куйбышевского гидроузла проходит 97% волжского стока. Гидроузел перераспределяет естественный речной сток, задерживая воду в половодье и отдавая ее запасы в межень.


Рис. 1.
Гидрографическая сеть Самарской области.


Рис. 2.
Профиль Куйбышевского и Саратовского водохранилищ.

На протяжении всего Волжско-Камского каскада, особенно в низовьях Волги, сталкиваются интересы крупнейших водопользователей Волжской хозяйственной системы: рыбного и сельского хозяйства, экосистемы Северного Каспия, энергетики, судоходства. Требования этих водопользователей в значительной степени определяют режим работы всего каскада.

Наиболее характерной фазой водного режима рек области является весеннее половодье, во время которого проходит 60-90% годового стока. Подъем уровня воды в реках обычно начинается в конце марта - начале апреля, его интенсивность в средние по водности годы составляет 30-90 см/сут. В многоводные годы она достигает 300 см/сут, а затопление поймы длится до 40 дней. На всех относительно крупных водотоках спад воды обычно продолжается дольше, чем подъем, уровень воды понижается на 20-70 см/сут.

В целях организации предупредительных мероприятий по пропуску паводковых вод, защиты населения области от возникновения чрезвычайных ситуаций ежегодно распоряжением Губернатора Самарской области формируется областная паводковая оперативная группа в составе представителей разных служб и ведомств.

Исходная информация для работы паводковой комиссии рассредоточена во многих ведомственных структурах - в разрезе их отраслевой специализации и, чаще всего, без привязки к картам.

Создание ГИС

Опыт работы комиссии определил необходимость разработки комплексной геоинформационной системы гидрологического назначения Самарской области. Эта система позволит не только собрать воедино разобщенную информацию, но и на основе фактических и прогнозных данных оперативно представлять сведения для работы паводковых комиссий. Кроме того, система должна стать основой для осуществления мониторинга паводковой обстановки на территории области и выработки управленческих решений по ликвидации последствий паводков.

На первом этапе было принято решение разработать пилотный проект на один из районов Самарской области, и только после этого перейти к разработке ГИС гидрологического назначения на всю территорию области.

Пилотный проект «Формирование геоинформационной системы для разработки мероприятий по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с паводковыми явлениями, на примере Кинель-Черкасского района (далее района)», выполнен ГУП «ТеррНИИгражданпроект» по заказу Главного управления ЖКХ Самарской области.

Изначально разработчиками был проведен обзор и анализ существующих отечественных и зарубежных разработок систем гидрологической направленности. Были также сформулированы основные требования к ГИС: система должна представлять собой комплекс программ для работы с картографической информацией, моделирования паводковой ситуации, хранения картографических и атрибутивных данных.

Проект выполнен на основе геоинформационных технологий с использованием программных продуктов ArcGIS от ESRI и ГИС ИнГео.

Исходные данные и картографическая подоснова

Картографическая основа пилотного проекта объединяет цифровые топографические карты и планы области, муниципальных образований, населенных пунктов:

  • Карта Самарской области М 1:100 000
  • Топографические карты М 1:25 000
  • Ортофотопланы на территорию исследуемого района М 1:10 000
  • Инвентаризация земель поселений М 1:2000
  • Проекты генеральных планов поселений М 1:5000 и 1:2000.

При формировании базы данных использовались материалы, предоставленные Главным управлением ЖКХ Самарской области, Главным управлением по делам ГОЧС Самарской области, комитетом по земельным ресурсам и землеустройству Самарской области.

Для получения обобщенной гидрометеорологической информации использованы результаты многолетних наблюдений на гидрологических постах и метеостанциях (рис. 3), результаты рекогносцировочных обследований на территории области, представленные Приволжским межрегиональным территориальным управлением по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (Самарский ЦГМС-Р), материалы ранее выполненных целевых проектов и программ.


Рис. 3.
Фрагмент базы данных гидрометеорологических наблюдений на метеорологических постах на территории Кинель-Черкасского района.

Использование ортофотопланов позволило уточнить информацию о современном состоянии территории в полигоне зон затопления (рис. 4). В результате анализа были выделены области, требующие дополнительного изучения. В основном это застроенные земли, где идет активное градостроительное освоение водоохранных зон.


Рис. 4.
Использование ортофотопланов для уточнения информации о современном состоянии территории в зонах возможного затопления.

Формирование наборов тематических слоев подосновы

На цифровые топографические карты были нанесены тематические слои, отражающие состояние объектов и статистическую информацию гидрологического назначения:

  1. Гидрометеорологические условия района:
  • среднемесячное и годовое количество осадков;
  • средняя декадная высота снежного покрова;
  • запас воды в снежном покрове;
  • средняя месячная и годовая температура воздуха;
  • наибольшее суточное количество осадков.
  1. Основные характеристики и параметры гидрографической сети на территории района.
  2. Данные о наличии, состоянии и владельцах гидротехнических сооружений на территории района.
  3. Водный режим:
  • характеристика половодья на Куйбышевском и Саратовском водохранилищах;
  • характеристика половодья на реках района;
  • характерные даты вскрытия Волжских водохранилищ на территории Самарской области и рек на территории района;
  • сведения о наибольших суммарных объемах стока воды в период половодья и дождевых паводков;
  • характерные уровни воды в период половодья на реках района;
  • сведения о наивысших уровнях воды разной обеспеченности на основных реках района;
  • сведения о возможных подтоплениях населенных пунктов и промышленных объектов района в период половодья с привязкой к гидрологическому посту.
  1. Мониторинг ледовых заторов и подрывных мероприятий.

Порядок определения границ паводкоопасных территорий и их зон

Нижняя граница паводкоопасных территорий для водохранилищ и прудов совпадает с урезом воды при нормальном подпорном уровне (НПУ), для рек и озер - с урезом воды при меженных расходах.

Верхняя граница паводкоопасных территорий соответствует границе затопления при прохождении паводка 1% обеспеченности с вероятностью повторения один раз в 100 лет.

Паводкоопасная территория делится на 2 зоны:

  • зона повышенного риска при хозяйственной деятельности - затапливаемая при уровнях 5% обеспеченности и более высоких;
  • зона умеренного риска при хозяйственной деятельности - территория, расположенная между границами затопления при уровнях 1% и 5% обеспеченности.

В пределах паводкоопасных территорий землепользователи должны соблюдать специальные требования по использованию земель в соответствии с «Положением об условиях хозяйственной деятельности на территориях, находящихся в зонах периодического затопления».

Проектная документация на новые объекты на таких территориях подлежит обязательному согласованию с природоохранными органами, областным штабом по делам гражданской обороны и чрезвычайным ситуациям и рассмотрению органами государственной экспертизы.

Районирование подтапливаемой территории

В долинах рек Самарской области и вдоль Куйбышевского и Саратовского водохранилищ в результате паводков происходит затопление земель, населенных пунктов (рис. 5). Затопление и подтопление - взаимосвязанные процессы. При паводке происходит подъем уровня в реке (или водохранилище), и уже до начала выхода воды из берегов, то есть до начала затопления, происходит развитие подпора, который вызывает подъем уровня грунтовых вод на прилежащей территории и её подтопление. После выхода реки из берегов происходит затопление территории и продолжается дальнейшее развитие подпора. В связи с этим, площадь подтопления оказывается больше площади затопления. Затопление длится недолго, и паводковая вода сравнительно быстро уходит обратно в реки, а подтопление - процесс более длительный. Он продолжается до тех пор, пока не опустится уровень подземных вод. Подтопление происходит при любом паводке, независимо от его % обеспеченности (рис. 6, 7).


Рис. 5.
Моделирование зон затопления по цифровой модели местности в границах населенных пунктов.


Рис. 6.
Автомобильные и железные дороги, расположенные в зоне возможного затопления.


Рис. 7.
Построение зон затопления по трехмерной модели рельефа местности на основании статистических данных.

В связи с вышесказанным, в районе выделены участки, где подтопление обусловлено паводком и продолжается в течение 30-60 суток, после чего происходит снижение уровней.

Также в долинах рек и вдоль водохранилищ выделяются участки, где подтопление обусловлено как паводками, так и рядом других причин, и существует не только в период паводка, но фактически в течение всего года. К таким участкам относятся территории, расположенные в пониженных местах в районе поймы и низких террас, где подтопление обусловлено близким к поверхности расположением зеркала грунтовых вод.

Подтопление на рассматриваемых участках вызвано и развитием подпора (повышением уровня грунтовых вод) после создания Куйбышевского и Саратовского водохранилищ.

Принято, что подтопленными считаются территории жилой и промышленной застройки при залегании уровня грунтовых вод весной ниже 1,0 м от подошвы фундаментов. Критерий подтопления зависит от типа территории и определяется следующими значениями глубины залегания уровня грунтовых вод:

а) менее 15 м - для территории крупных промышленных зон и комплексов;

б) менее 5 м - для территории городских промышленных зон, коммунально-складских зон, центров крупных и больших городов;

в) менее 2 м - для селитебных территорий городов и сельских населенных пунктов.

Районирование защищаемых подтопленных земель проведено в соответствии с природными условиями. По геологическому признаку были выделены 3 района. Каждый район в зависимости от характера подтопления подразделяется на 2 участка:

  • временное подтопление, связанное с паводком;
  • постоянно существующее подтопление, усиливающееся паводком.

Зона затопления от реки Большой Кинель

Для создания векторного полигона зоны затопления от реки Большой Кинель, являющейся основным водотоком на территории пилотного проекта, были использованы топографические карты М 1:25 000.

Кроме того, для моделирования паводковой ситуации по крупным населенным пунктам были использованы цифровые модели местности, созданные институтом «ТеррНИИгражданпроект» на основе генеральных планов поселений масштабов 1:5000, 1:2000.

Для получения информации о физических и юридических землепользователях в зоне затопления использовались сведения инвентаризации земель поселений района.

Построение трехмерной модели зоны затопления выполнено на основании статистических данных многолетних наблюдений по уровням затопления и детальной модели, учитывающей рельеф местности. Для достижения более точного результата на следующем этапе проектирования будут учтены внутрипочвенные водные потоки, структура почвы и растительности.

После получения текущей сводки о высоте воды на гидрологических постах данные вводятся оператором в ГИС, и методом интерполяции проводится моделирование зоны затопления.

По результатам построения зоны затопления и подтопления проводится:

  • Определение перечня населенных пунктов, попавших в зону затопления, числа жителей в них;
  • Определение перечня промышленных предприятий, скотомогильников, свалок, складов минеральных удобрений, попавших в зону затопления;
  • Определение длины автомобильных и железнодорожных путей, мостов и инженерных сооружений, попавших в зону затопления;
  • Определение длины линий магистральных трубопроводов, попавших в зону затопления;
  • Осуществление подсчета затопленных площадей в разрезе их функционального использования.

Оценка потенциального экономического ущерба от наводнения

Режим воздействия является одним из основных факторов, определяющих размер ущербов от затопления. Под режимом воздействия паводковых вод на земельные угодья и объекты подразумевается:

  • дата начала и окончания затопления;
  • глубина затопления;
  • продолжительность подъема и спада уровней, общая продолжительность затопления;
  • повторяемость затоплений в многолетнем разрезе.

В связи с широким диапазоном колебаний гидрологических показателей в весенний период, сложным рельефом паводкоопасных территорий каждый конкретный земельный участок или объект будет испытывать свой режим воздействия, отличный от режима воздействия на другие участки и объекты.

Для правильной оценки масштабов вредного воздействия высоких паводков были проанализированы материалы о фактических наводнениях в области, в том числе в наиболее многоводные 1979 и 1991 годы, и мерах, предпринятых для ликвидации последствий затоплений и подтоплений.

Например, в 1979 году в области были затоплены 2380 жилых домов, окружены водой 19 населенных пунктов с населением свыше 16 тыс. человек и 2,2 тыс. голов скота, размыты и повреждены 191 плотина, 58 малых и средних мостов. Было эвакуировано 1300 человек.

Для определения материального ущерба от наводнения в ГИС в качестве исходного материала были введены данные кадастровой оценки земель поселений района, расположенных в зоне возможного затопления в период половодья (рис. 8).


Рис. 8.
Кадастровая оценка земель райцентра Кинель-Черкассы.

Для оценки экономического ущерба от затопления сельхозугодий необходимо классифицировать их по типам посевов и почвам, что может быть выполнено только после инвентаризации и кадастровой оценки земель сельскохозяйственного использования.

Составление карт глубин воды и значений возможного материального ущерба в зонах затопления, а также их классификация будут выполнены в рамках отдельного проекта с привлечением экономистов и представителей страховых компаний.

Защита населения и территорий от чрезвычайных ситуаций, связанных с паводковыми явлениями

В проекте учтены данные органов ГОЧС, отражающие силы и средства для ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций (рис. 9):

  • Паводковые оперативные группы;
  • Разведывательные группы;
  • Посты наблюдения;
  • Наличие плавсредств, привлекаемых для дежурства на время весеннего паводка;
  • Спасательные звенья на плавсредствах;
  • Наличие автомобильной и инженерной техники;
  • Резерв строительных материалов;
  • Средства связи;
  • Резерв районного звена территориальной подсистемы, привлекаемый для ликвидации последствий наводнения;
  • Схема оповещения и план эвакуации населения из зоны затопления (рис. 10);
  • Мониторинг ледовых заторов.


Рис. 9.
Силы и средства паводковых оперативных групп в Кинель-Черкасском районе.


Рис. 10.
Маршруты оповещения населения Кинель-Черкасского района в чрезвычайных ситуациях посредством автотранспорта.


Достигнутые результаты

Созданная ГИС гидрологического значения обеспечивает:

  • Сбор и накопление информации о местности в виде цифровых топографических карт и планов и её визуализацию;
  • Создание, привязку и совместное использование цифровых карт и различной тематической пользовательской информации;
  • Поиск любой атрибутивной информации по табличным и картографическим запросам, пространственную визуализацию любых данных;
  • Автоматический ввод и редактирование параметров, необходимых для проведения моделирования: корректирование данных оператором; выбор необходимой информации из БД паводковых ситуаций; просмотр, редактирование и использование накопленных сценариев;
  • Разработку и выполнение ГИС-приложений, решающих широкий круг задач: от анализа и оценки местности до моделирования процессов;
  • Формирование отчетных документов;
  • Исходную базу данных для разработки целевой программы «Защита от затопления и подтопления населенных пунктов, объектов экономики и ценных земель на территории Самарской области».

Перспективы

На следующем этапе развития проекта необходимо:

  1. Для оперативного мониторинга паводковой обстановки на реках области использовать данные дистанционного зондирования (космические снимки) с целью выявления факторов разливов на реках и проявления заторов льда в руслах рек, а также наличия снежного покрова в бассейнах рек, на которых начался паводок, оценки степени и площадей затопления территорий паводковыми водами;
  2. На базе ГИС гидрологического назначения разработать программный комплекс для оценки уровня затопления и расчета величины возможного экономического ущерба в пойме рек, выделения зон градаций страховых рисков от наводнений.