Водопользование – важнейший фактор, определяющий жизнедеятельность общества и реализацию природно-экономического потенциала территории. Научно-обоснованное исследование рисков водопользования невозможно без учета процессов, протекающих как в природной среде, так и в сфере социально-экономической. Поэтому интегральную оценку ситуации в водопользовании, которая возникает в результате деятельности человека в пределах пойменно-русловых комплексов, нужно проводить путем объединения оценок климатического, гидрологического и социально-экологического содержания.
Томская область располагает значительными ресурсами поверхностных вод, намного превосходящими потребности промышленности, сельского хозяйства и жилищно-коммунального хозяйства.
Поверхностные водные ресурсы Томской области сосредоточены в 131000 водных объектах, в том числе в 8100 реках протяженностью 95 тыс. км. Густота речной сети колеблется от 0,39 до 0,29 км/км2. Для территории Томской области характерны экстенсивные формы водопользования и локальные зоны повышенной водоёмкости, обусловленные особенностями хозяйственного комплекса.
Водопользование в Томской области связано с развитием нефтегазового комплекса, промышленного производства, сельского хозяйства, водоснабжения городов и поселков, лесосплава, рыбного хозяйства. Для ряда районов области реки являются практически единственным видом транспорта. В пределах долин рек Оби, Томи, Васюгана, Чулыма, Кети сконцентрирована большая часть населения области.
Вместе с тем природно-климатические условия Томской области не только формируют и регулируют динамику речной сети, но и определяют направленность, интенсивность и риски пользования водными объектами – реками. Хозяйственное водопользование приходится вести под воздействием множественных негативных природно-климатических факторов: низкие зимние температуры, большая изменчивость погоды, резкие колебания суточного и годового хода температур, сложная гидрологическая ситуация, сильные и устойчивые ветра, значительные заболоченные пространства. По многим климатическим показателям этот район относят к крайне некомфортным для жизнедеятельности территориям. Здесь наблюдается высокая степень проявления природных опасностей (от 180 до 240 опасных природных явлений в год), которая возрастает почти на 6% ежегодно [1, 2]. При анализе и прогнозе этих опасностей появляется необходимость в конкретной и территориально распределенной информации о явлениях или процессах, позволяющих сформировать детальный образ территории. Подобная задача может быть успешно реализована с помощью современных геоинформационных технологий. Развитие идей ГИС позволило продемонстрировать эффект системного использования разнохарактерных данных для извлечения новых данных о географических объектах. Комплексность и интегративность остаётся важнейшим свойством геоинформационных систем (ГИС) [3]. С этих позиций использование ГИС является наиболее эффективным способом пространственно-временной оценки существующих природно-климатических опасностей и риска водопользования.
Материалы и методы
В основу моделирования пространственного распределения климатических, гидрологических особенностей и риска водопользования в Томской области средствами геоинформационных технологий положены данные по наиболее репрезентативным метеостанциям и гидропостам за последний 40-летний период. В качестве инструмента обработки, анализа и представления использовалось программное обеспечение ArcGIS [4]. Преимущество использования выбранного ГИС-пакета в решении данной проблемы состоит в возможности создания обширной информационной базы, сочетающей пространственные и непространственные (статистические) характеристики природных явлений и их динамическое состояние. Базовые функции ArcGIS обеспечивают в рамках создаваемой геоинформационной системы комплексный анализ природных опасностей посредством добавления статистической информации из автономных таблиц к таблицам классов пространственных объектов. Это, в свою очередь, даёт возможность совмещать разнородные показатели и строить многокомпонентные тематические карты для отдельных задач природопользования и визуализировать полученные результаты.
В предлагаемом исследовании создание пространственной модели динамики опасных процессов в среде ArcGIS включает в себя несколько этапов. Первый этап - формирование базы геоданных, состоящей из автономных таблиц, векторных и растровых данных, правил поведения объектов. Пространственные данные были разделены на два блока и представлены наборами классов пространственных объектов. Один набор классов пространственных объектов включает топографическую основу. Второй набор объединяет тематические данные, в частности информацию о местоположении метеостанций и гидропостов в виде точечных объектов.
Для получения корректных результатов все пространственные данные были приведены к единой системе координат с учетом проекций, искажений и уровня генерализации.
Автономные таблицы формируются на основе статистического материала по климатическим и гидрологическим показателям. Из комплекса природных факторов отбираются только те, которые могут быть опасными для водопользования.
Показатели природной опасности, вносимые в автономные таблицы, были разделены на группы: климатические, гидрологические, социально-экономические. При расчете комплексного показателя климатической опасности учитывались семь природно-климатических факторов, наиболее негативно воздействующих на развитие природопользования исследуемого региона: количество дней в году со скоростью ветра 15 м/с и более; интенсивность стока талых вод; амплитуда колебания температуры на поверхности почвы в апреле (период особой неустойчивости температурного режима); число дней в году с ливнями; количество гроз в году; количество дней в году с влажностью воздуха ниже 30%; число дней в году с температурой воздуха -35° и ниже.
Гидрологическая напряженность вычислялась как где ki – коэффициент, соответствующий оценке по пяти основным гидрологическим факторам, являющимися индикаторными для Томской области: число дней в году с низким уровнем воды; комплексный показатель, характеризующий ледовые явления; число дней в году с максимальной продолжительностью стояния высоких вод; интенсивность поступления талых вод; объем стока наносов.
Конечной базовой информацией стали социально-экономические показатели, характеризующие интенсивность пользования речной сетью и те возможные ущербы, которые могут последовать из-за проявления опасностей. Социально-экологическая напряженность NR в пределах определенного русла вычислялась по формуле , где gi – оценка концентрации населения вдоль русел, частоты мостовых переходов, количества пересечений русел с нефтегазопроводами как источниками повышенной экологической опасности. Перечисленные показатели использовались в качестве входной информации и привязывались к местоположению выбранных метеостанций, гидропостов и объектов природопользования с использованием инструмента Join. Каждый показатель занесен в базу данных по годам наблюдений. Особенности и структура базы данных позволяет добавлять и изменять требуемую информацию.
Следующий этап предусматривал пространственный анализ данных, включающий районирование территории, создание серии тематических карт и визуализацию. Для получения региональной оценки вариабельности того или иного показателя опасности его значения интерполировались с использованием инструментов дополнительного модуля ArcGIS Spatial Analyst.
Результаты и обсуждение
Результатом проведенного анализа стало районирование территории по степени риска водопользования. Также были выделены территории с наибольшей повторяемостью опасных природно-климатических явлений, территории с различной степенью изменчивости метеоклиматических параметров, что нашло отражение в серии тематических карт.
Основные тенденции климатических изменений в Томской области. Согласно полученным оценкам, на всей территории Томской области отмечается рост температуры со средней скоростью 0,34°С за 10 лет. Для обширной равнинной территории области фактически полученные значения повышения средней температуры за исследуемый период колеблются от 0,68 до 0,92 °С. Наиболее интенсивным потепление было в северных районах Томской области и на юго-востоке, наименее – в западных районах.
Анализ временной изменчивости количества осадков показал, что в целом в регионе основной тенденцией является увеличение количества осадков. Причем, величина роста среднегодового количества осадков в 2,5 раза превышает величину снижения количества осадков, хотя обе величины невелики и по абсолютному значению не превышают 2,8 мм за исследуемый период. Тенденция роста сумм осадков наблюдается в центральных и южных районах области. Следует отметить, что для большинства этих территорий в последнее время отмечаются зональные активизации опасных экзогенных процессов: береговая и овражная эрозии, оползни.
Другим важным результатом анализа изменчивости количества осадков представляется выявление факта снижения этого показателя для западных и северных районов, а также достаточно значимое снижение сумм осадков для отдельных районов востока Томской области. В условиях роста среднегодовых температур, особенно при потеплении самой холодной части зимы, снижение количества осадков создает предпосылки для деградации многолетней, реликтовой мерзлоты и для активизации термокарстовых явлений.
Полученные результаты позволили дать пространственную оценку степени опасности исследуемых климатических факторов. Так, главной особенностью ветрового режима Томской области является существенная пространственная однородность случаев с сильными порывистыми ветрами (рис. 1). Если учитывать, что пороговые эрозионные значения скорости ветра для почв Томской области составляют от 5 до 12 м/с, то степень опасности ветровой эрозии почти на всей территории Томской области характеризуется как повышенная. Ливневая деятельность оказывает большое влияние на развитие процессов эрозии, оползания, на формирование промоин и поверхностного стока. Если до 1976 г. в Томской области выделяли один очаг интенсивной ливневой деятельности – с максимумом в районе села Бакчар, то в настоящее время такие очаги появились на севере и на юге области. Также увеличилось общее количество дней с ливнями; в разных районах этот показатель колеблется от 26 до 50 %.
Гидрологическая уязвимость Томской области.
Указанные тенденции меняют соотношение тепла и влаги, которое определяет динамику природно-климатических процессов, в том числе и режим функционирования гидросети исследуемой территории [5]. Рассчитанная гидрологическая напряженность позволила проранжировать территорию по степени гидрологической опасности. Так, для реки Обь основными факторами риска являются интенсивность поступления талых вод (южные районы Томской области) и колебания объема стока наносов. Рост этих факторов ведет к увеличению интенсивности эрозионного процесса и деформации русла реки.
Особенности пространственного распределения гидрологической напряженности на территории Томской области показаны на рис. 2.
Рис.1. Оценка уровня риска ветрового режима уровень: 1 - слабый; 2-средний; 3- высокий.
Рис.2. Ранжирование территории по гидрологической напряженности
Оценка рисков водопользования.
Анализ климатических и гидрологических особенностей территории позволяет подойти к оценке той части рисков водопользования, которая возникает в результате деятельности человека в пределах пойменнорусловых комплексов. В результате комплексного анализа климатической, гидрологической и социально-экономической напряженности была получена общая оценка рисков водопользования. Проведенные расчеты в пределах области свидетельствуют о широком диапазоне оценок (рис. 3). Степень напряженности ситуации в области определяется следующими характеристиками: более 66,5 % территории (от общей площади области) подвержены высокому и повышенному уровню риска. На 9,89 % площади риск определяется как средний. Территории, на которых риск можно оценить как пониженный и низкий, занимают 23,61 % площади.
Рис. 3. Риски водопользования в Томской области
Таким образом, по степени распространенности на территории Томской области риск водопользования можно отнести к массовому. По области наиболее сложная ситуация складывается именно в тех районах, которые непосредственно примыкают к р. Обь. Несмотря на очевидную привлекательность этих районов, хозяйственное освоение территорий приводит к возрастанию риска в период высокой водности реки. Большая плотность населения на юге области (Томский, Кривошеиннский, Молчановский районы), развитие трубопроводного транспорта в нефтегазоносных районах области (Александровский, Каргасокский, Парабельский районы) усугубленные высокой степенью гидрологической напряженности и активностью русловых процессов формируют высокий уровень риска в данных районах. Более спокойны в этом отношении восточные районы области (Верхнекетский, Первомайский, Тегульдетский районы), где социальная инфраструктура и трубопроводный транспорт имеют самый низкий уровень развития в Томской области. Невысокие значения коэффициентов климатической, гидрологической, социально-экологической напряженности в Бакчарском районе обуславливают низкий рискообразующий потенциал данного района.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования позволили раскрыть некоторые особенности природных и социальных взаимосвязей, гидрометеорологических условий региона и на фактическом материале проанализировать влияние климатических, гидрологических и социально-экономических факторов на пространственное распределение и степень рисков водопользования. Взаимодействие природно-климатических и социально-экономических процессов определяют как характер, так и величину риска в водопользовании. Территориальная дифференциация данного вида рисков обусловлена в большей степени гидрологическими и социально-экономическими особенностями, чем метеоклиматическими условиями области. Степень риска пропорциональна освоенности территории и уровню экономического развития. Предлагаемый подход к оценке рисков водопользования позволяет проводить районирование территории с учетом специфики местных условий при различной вариабельности климатических, гидрологических условий и социальных факторов.
Большое количество пространственных и темпорально распределенных данных о климатических, гидрологических, социально-экономических условиях водопользования определяет необходимость их интеграции в единую среду хранения, обработки и анализа, которая может служить аналитической основой принятия решений. Благодаря возможностям географических информационных технологий, которые позволяют накапливать большой объем информации, можно проводить быстрый и своевременный анализ и выполнять визуализацию опасного распространения природных процессов и рисков в управлении водными ресурсами.
Рецензенты:
Дутова Е.М., д.г.-м.н., профессор кафедры гидрогеологии, инженерной геологии и гидрогеоэкологии, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (ФГАОУ ВО «НИ ТПУ»), г. Томск.
Дюкарев А.Г., д.г.н., заведующий отделением экологических исследований, Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук (ИМКЭС СО РАН), г. Томск.
Библиографическая ссылка
Невидимова О.Г., Янкович Е.П. ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА РИСКОВ ВОДОПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВАМИ ARCGIS // Современные проблемы науки и образования. – 2014. – № 6. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=16218 (дата обращения: 07.11.2024).