Спросить
Войти
УДК 528.88+556
Рыбников Петр Андреевич
кандидат геолого-минералогических наук,
заведующий лабораторией геоинформационных
и цифровых технологий в недропользовании,
Институт горного дела УрО РАН,
ул. Мамина-Сибиряка, 58;
доцент кафедры инженерной экологии,
Уральский государственный
горный университет,
DOI: 10.25635/2313-1586.2020.02.174
Rybnikov Petr A.
Candidate of Geological
and Mineralogical Sciences,
Head of the Laboratory of Geoinformation and
Digital Technologies in Subsoil Use,
Institute of Mining, Ural Branch of RAS,
Associate Professor,
Department of Environmental Engineering, Ural State Mining University, 620144 Ekaterinburg, 30 Kuibysheva Str. e-mail: ribnikoff@yandex.ru
Смирнов Александр Юрьевич
младший научный сотрудник лаборатории геоинформационных и цифровых технологий в недропользовании, Институт горного дела УрО РАН, преподаватель кафедры геодезии и кадастров, Уральский государственный горный университет e-mail: alexsm94@gmail.com
Smirnov Alexander Yu.
Junior Researcher,
Laboratory of Geoinformation
and Digital Technologies in Subsoil Use,
Institute of Mining, Ural Branch of RAS;
Lecturer,
Department of Geodesy and Cadastres, Ural State Mining University e-mail: alexsm94@gmail.com
ОСОБЕННОСТИ ЦИФРОВОГО ОПИСАНИЯ ПОНИЖЕНИЙ РЕЛЬЕФА ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ПОВЕРХНОСТИ ВОДОСБОРНЫХ БАССЕЙНОВ*
ECULIARITIES IN DIGITAL DESCRIPTION OF TOPOGRAPHIC LOW WHILE MODELING THE SURFACE OF THE DRAINAGE BASINS
Аннотация:
Ежегодно в мире происходят техногенные катастрофы на гидротехнических сооружениях, вызванные ошибками при проектировании и недостаточным учетом влияния природных факторов (ливневых дождей, наводнений, обильного снеготаяния и т.д.). Проблема может быть решена на этапе проектирования путем предварительной подготовки исходных данных цифровых моделей рельефа, применяемых при моделировании в геоинформационных системах. Было установлено, что использование метода определения оптимального пути для заполнения бесстоковых впадин, предложенного L. Wang и H. Liu, обеспечивает высокую точность вычисления границы водосбора речных бассейнов и может применяться при определении параметров речной сети, а также получения данных о величине поверхностного стока.
Abstract:
Every year in the world, man-made disasters occur at hydraulic structures caused by design errors and insufficient consideration of the influence of natural factors (heavy rains, floods, heavy snowmelt, etc.). The problem can be solved at the design stage by preliminary preparation of the initial data of digital elevation models used while modeling in geographic information systems. It was established that the use of the method of determining the optimal path for filling the drainage depressions, proposed by L. Wang and H. Liu, provides high accuracy in calculating the boundary of the catchment area of river basins and can be used in determining the parameters of the river network, as well as obtaining data on the value of surface runoff.
* Статья подготовлена в рамках выполнения государственного задания ИГД УрО РАН по теме № 03282019-0005
Введение
Разведка новых месторождений, проектирование и эксплуатация горных предприятий требует учета гидрологических и гидрогеологических особенностей региона. В настоящее время мероприятия по разведке и добыче полезных ископаемых в значительной степени связаны с месторождениями со сложными гидрогеологическими условиями^]. Актуальными остаются вопросы экологического характера: исследование поведения загрязняющих компонентов и путей их миграции, влияние на окружающую среду, биологическое разнообразие осваиваемого региона и т.д. [2, 3].
Помимо выполнения функций регуляции стока, гидротехнические сооружения часто используются для отстаивания и последующего хранения одного из видов отходов горного и металлургического производства - хвостов. Основная задача хвостохра-нилищ - создание благоприятных условий для отстаивания суспензии под действием силы тяжести, а также защита окружающей среды от ее воздействия. Зачастую для снижения затрат горно-обогатительных и металлургических предприятий при строительстве дамбы используются крупные фракции материала хвостов, а увеличение крутизны склона создает серьезные предпосылки для развития процессов разрушения дамбы хвостохранилища. Данная проблема особенно актуальна для Урала (и Свердловской области, в частности) как региона с развитым горным и металлургическим производством, в котором находится большое число крупных хвостохранилищ (г. Качканар, Нижний Тагил, Каменск-Уральский, Краснотурьинск и др.).
Большая часть аварийных случаев на хвостохранилищах в последние десятилетия связана с аномальными погодными условиями: продолжительными дождями, обильным снеготаянием, ураганами и т.д. [4, 5, 6]. Моделирование водного режима бассейнов подземного и поверхностного стока позволяет прогнозировать объемы аномальных притоков [7]. Повышение детализации таких моделей позволит повысить точность прогнозов и адекватность проектных решений.
Развитие геоинформационных технологий способствует появлению прикладных модулей геоинформационных систем (ArcHydroTools, Freewat и др.) и программных продуктов (MODFLOW, StreamCuda 2D и др.), позволяющих использовать информацию о земной поверхности для решения гидрологических и гидрогеологических задач [8]. Эти модули способны ранжировать речную сеть, моделировать направление стока, определять границы водосборных бассейнов, основные физические параметры водотоков и т.д. Несмотря на изученность используемых в таких модулях алгоритмов, наиболее сложным для решения задач вопросом остаетсяих крайняя чувствительность к задаваемым параметрам модели [9]. Небольшое изменение пороговых значений зачастую существенно меняет свойства модели [10, 11].
Для целей моделирования требуются данные о поверхности рельефа больших площадей. Зачастую не на всю территорию исследуемого района имеются топопланше-ты нужного масштаба. Выполнение топографической съемки на такой площади неоправданно дорого, поэтому для этих целей используются цифровые модели рельефа (ЦМР), получаемые способами дистанционного зондирования Земли. Выбор ЦМР для моделирования крайне важен, поскольку именно от ее качества зависит корректность работы вычислительных алгоритмов [12]. Наличие большого числа ЦМР, полученных по результатам дистанционного зондирования Земли и доступных для бесплатного использования, позволяет частично решить проблему с отсутствием «традиционной» картографической информации, однако требуется обязательная предобработка таких данных [9].
Выбор алгоритма заполнения впадин
Базовым этапом подготовки модели для моделирования гидрологических процессов является коррекция ЦМР. В таких моделях практически всегда содержатся понижения рельефа, образующие бесстоковые области [13]. Часть из них не является
естественными элементами рельефа (озерами, прудами и т.д.), а представляет собой артефакты, возникшие в силу свойств разрешающей способности измерительных приборов, используемых при дистанционном зондировании Земли.
Существует достаточное количество подходов к решению проблемы заполнения понижений. Например, существуют методы, основанные на последовательном искусственном повышении высотных отметок узлов ячеек до тех пор, пока не станет возможным сток строго вниз по склону при соблюдении условия, что сток не вернется в исходную ячейку (не окажется замкнутым) [14].
В других случаях применяется размытие значений ЦМР при каждой итерации для уменьшения количества и размеров таких впадин, однако такие методы требуют больших затрат на время исполнения алгоритма и сложны в реализации без ущерба для релевантности исходной модели [15].
Наиболее известным и зарекомендовавшим себя в практике гидрологического моделирования является метод, предложенный L. Wangи H. Liu [16]. Данный метод качественно отличается от предыдущих благодаря способности одновременного определения «за один проход» как направления стока, так и пространственного положения водоразделов. Это становится возможным благодаря тому, что в нем используется алгоритм поиска потоков с наименьшими затратами (решение задачи оптимального пути в теории графов). Под наименьшими затратами в данном случае понимается получение множества выходов на границе ЦМР и нахождение оптимального пути от каждой внутренней ячейки модели, при котором результирующая высота этой ячейки будет минимальна, что позволяет минимизировать вмешательство в исходные данные.
Автоматизированное извлечение границы водосбора
Для реализации автоматизированного извлечения границы водосбора выбрана геоинформационная система SAGAGIS, в состав которой по умолчанию включены инструменты гидрологического моделирования, в том числе алгоритм, реализованный L. Wangи H. Liu. Однако для подобных целей также часто используется ArcHydroTools-модуль для коммерческой EHCArcGIS, не уступающий по функциональному наполнению вышеуказанной геоинформационной системе [9]. Данные модули являются надстраиваемыми приложениями, обрабатывающими данные, содержащиеся в слоях ГИС.
Заполнение понижений ЦМР необходимо выполнять в первую очередь, поскольку данный алгоритм является предпроцессинговой функцией, что неизбежно повлияет на корректность последующих этапов моделирования. Для этого была выполнена геопроцессинговая функция «FillSinks (WangLiu)», результатом выполнения алгоритма которой является grid-файл, с отсутствующими бесстоковыми участками. Водные бассейны, добавленные отдельным shape-файлом, не сглаживаются и учитываются при вычислении поверхности в качестве структурных линий.
На следующем этапе традиционно рассчитывают векторы направления стока для каждой ячейки. Для этого использовалась функция «FlowAccumulation(Top-Down)». Также был выбран режим детерминистического интерполирования в 8-ми направлениях (рис. 1), что соответствует описанной L. Wangи H. Liuметодике [16].
Рис. 1 - Методика расчета направления стока в 8-ми направлениях
Поскольку, как было указано выше, функция заполнения впадин также создает границы водоразделов, а векторы направления стока были получены на предыдущем шаге, становится возможным получениесхемы речной сети. Функция «ChannelNetwork» позволяет не только создать речную сеть, но также автоматически ранжирует гидрологический порядок водотоков, что дополнительно облегчает дальнейшийанализ данных (рис. 2).
Последним этапом является определение границы водосбора с использованием динамической функции «UpslopeArea». Существует диаметрально противоположная функция «DownslopeArea», выполняющая обратную задачу: она определяет все ячейки ниже по течению, получающие сток от конкретной точки.
О 1600 3200 4800 6400 8000
Рис. 2 - Результат моделирования речной сети Заключение
Моделирование поверхности водосборных бассейнов является важным шагом для получения количественных и качественных характеристик бассейнов. Комплексное гидрологическое и гидрогеологическое моделирование на стадиях проектирования, эксплуатации и консервации объектов горных и металлургических предприятий позволяет дать конкретные рекомендации по предотвращению развития возможных аварийных ситуаций.
Рис. 3 - Водосбор речного бассейна (затененная область), полученный способом моделирования.
Желтой линией показана граница водосбора, извлеченная из топопланшетов
Мировой опыт аварий на хвостохранилищах свидетельствует о серьезной опасности для населения и окружающей среды: излив суспензии хвостохранилищ, помимо человеческих жертв, разрушения зданий и сооружений, оставляет после себя вытянутые «языки» загрязненных участков с повышенной концентрацией опасных элемен-тов[5]. Основными причинами аварий в последние десятилетия служили процессы переливания и просачивания через тело дамбы, вызванные аномальным количеством осадков (продолжительные дожди, обильное снеготаяние и т.д.) и конструктивными ошибками при проектировании, не учитывающими данные факторы в полной мере. Моделирование поверхности водосборных бассейнов является одним из базовых ша-гов,создавая основу для численных геофильтрационных и геомиграционных моделей.
Наличие большого числа автоматизированных методов получения основных характеристик водосборных бассейнов свидетельствует о достаточной изученности данной проблемы. Большое внимание уделяется подбору пороговых значений параметров таких алгоритмов, наилучшим образом подходящих для того или иного типа рельефа.
Для оценки корректности использованного алгоритма и качества главных показателей модели было выполнено сличение с границей водосбора, оцифрованной с крупномасштабных топографических карт с сечением рельефа через 1 м (рис. 3). Для исключения погрешности деформации бумаги картографический материал был трансформирован методом аффинного преобразования, а пространственная привязка осуществлялась в прямоугольной системе координат (СК-42, Зона 7) с использованием программных продуктов CredoTransformи MapInfo.
Сопоставление границ водосбора, полученных двумя разными способами, позволяет сделать вывод о достаточно высокой точности алгоритма, примененного в настоящей работе, и, как следствие, возможности его применения при гидрологическом моделировании поверхности водосборных бассейнов.
Немаловажную роль в точности определения границы водосбора играет качество цифровой модели рельефа (ЦМР). Методы съемки с использованием дистанционного зондирования Земли практически всегда приводят к появлению радиолокационных теней, которые, в свою очередь, вызывают появление артефактов и бесстоковых областей. Применение вышеописанного алгоритма позволяет минимизировать данную проблему. Цифровые модели рельефа позволяют получить информацию о поверхности Земли на больших территориях и частично решить проблему с отсутствием «традиционной» картографической информации.
B. П. Зверева, Н. Г. Волубуева // Экологическая химия. - 2016. - № 3. - С. 158-162.
D. Kemp, E. Lebre, K. Svobodova, G. Perez Murillo // International Journal of Disaster Risk Reduction. - 2020. - Vol. 42. - 10 p.
