автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.13, диссертация на тему:Методика и технология автоматизированного водохозяйственного районирования на примере бассейна Волги

Институт прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

На правах рукописи

УДК 556.18-51

Шикунова Екатерина Юрьевна 003061384

МЕТОДИКА И ТЕХНОЛОГИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ВОДОХОЗЯЙСТВЕННОГО РАЙОНИРОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ БАССЕЙНА ВОЛГИ

Специальность: 05.11.13 - приборы и методы контроля

природной среды, веществ, материалов и изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

003061984

Работа выполнена в Государственном институте прикладной экологии

Научный руководитель

кандидат географических наук, старший научный сотрудник, Мотовилов Юрий Георгиевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, проф. Воробьев Александр Егорович кандидат технических наук, Бровко Елена Алексеевна

Ведущая организация

Институт географии Российской Академии Наук

Защита состоится «2% » мА рТА_2007 года в часов на

заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова по адресу: 129128 г. Москва, Ростокинская ул., 9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Автореферат разослан «26» Ср(?8рС1Г\& 2007 года

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 327.008.01 *

кандидат физико-математических наук А.Г. Старкова

Актуальность работы. Актуальной задачей водного хозяйства на сегодняшний день является совершенствование системы управления водными ресурсами. Сложность этой задачи обусловлена большим числом отраслей, использующих водные ресурсы, и наличием глубокой взаимосвязи между природой и обществом. Острота водохозяйственных проблем и постоянное усиление антропогенного воздействия на окружающую среду влияют на специфику управления водными ресурсами.

Реализация государственной политики России в области управления, использования, воспроизводства и охраны водных ресурсов основывается на схемах комплексного использования охраны водных объектов. Схемы комплексного использования и охраны водных объектов представляют собой информационную основу для выбора актуальных эффективных решений при разработке, планировании и осуществлении программ по использованию и охране водных объектов, а также для установления лимитов водопотребления и водоотведения. Намечаемые в схемах водохозяйственные и водоохранные мероприятия осуществляются через федеральные, бассейновые и территориальные программы по использованию, восстановлению и охране водных объектов [Коваленко и др., 2006].

Для разработки таких схем, а также водохозяйственных балансов водных объектов в новом Водном кодексе Российской Федерации (2006 г.) указана необходимость осуществления гидрографического и водохозяйственного районирования.

В современных условиях решение задачи водохозяйственного районирования территории должно основываться на современной научной, информационной, математической и технологической базе. Использование автоматизированных технологий водохозяйственного районирования позволит повысить его объективность, а также эффективность управления водными ресурсами. Автоматизированное водохозяйственное районирование формирует базу для выделения упорядоченных, организованных систем водного хозяйства и создает этим основу для оперативного управления водным потенциалом страны, его использованием и охраной.

Принципиальная позиция автора в ходе выполнения работы заключается в использовании широко доступных статистических материалов в качестве исходных данных, что делает предлагаемую технологию общедоступной.

Объектом исследования является водные ресурсы в целях контроля их использования и управления водным хозяйством, а предметом исследования диссертации является автоматизированное водохозяйственное районирование.

Основная цель диссертационной работы состоит в разработке методики и технологии проведения автоматизированного водохозяйственного районирования.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• Разработать методику водохозяйственного районирования;

• Выполнить анализ возможностей технологических средств для решения задач, связанных с районированием территории по водохозяйственным показателям;

• Разработать методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных показателей;

• Разработать методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных показателей в элементах русловой сети и построения модели стягивания информации по длине речной сети;

• Разработать методические и технологические приемы проведения районирования территории в различных пространственных и временных масштабах;

• Провести апробацию технологии автоматизированного водохозяйственного районирования на примере бассейна Волги.

Исходные материалы и методы исследований. При проведении исследований в качестве исходных данных использовались электронные топографические и тематические (природно-климатического и водно-ресурсного потенциала регионов) карты различных масштабов, цифровые модели рельефа различного пространственного разрешения, справочно-статистическая информация (в первую очередь, данные Государственных докладов о состоянии окружающей природной среды, Государственного водного кадастра и сведения об использовании воды по форме 2-ТП (ВОДХОЗ).

При обработке, анализе и подготовке данных, для разработки компьютерной технологии автоматизированного водохозяйственного районирования использовались современные технологические средства: географически информационная система (ГИС), специальное программирование в тех случаях, когда стандартные средства анализа, представляемые ГИС-технологиями, оказывались недостаточными для решения поставленных задач, и информационно-моделирующий комплекс ЕСОМАО. Практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований имеют выраженный прикладной аспект. При апробации разработанной технологии районирования на бассейне Волги получена серия водохозяйственных карт, позволяющих представить обстановку в регионе с различных сторон с использованием разнообразных водохозяйственных критериев и показателей. Результаты, полученные с помощью разработанной методики и технологии автоматизированного водохозяйственного районирования в различных пространственных и временных масштабах, позволяют комплексно рассматривать вопросы взаимодействия хозяйственных мероприятий и окружающей среды, рекомендовать меры по снижению негативных последствий антропогенной деятельности путем проведения водоохранных мероприятий или отказа от экологически

необоснованных проектов, и, в целом, могут служить информационной и технологической поддержкой при проведении нового водохозяйственного районирования на территории России в связи с принятием Водного кодекса РФ (2006 г.).

Исследования проводились в рамках научно-исследовательских работ Государственного института прикладной экологии по государственному контракту № АТ-03-28/823 от 17 декабря 2004 года и были использованы при подготовке методики водохозяйственного районирования в ФГУП «Центр Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра» (справка о внедрении от 06.02.2007).

Научная новизна работы заключается

• в новом современном подходе к решению водохозяйственных задач, выразившемся в создании методики и технологии автоматизированного водохозяйственного районирования на основе бассейнового подхода с использованием различных критериев и показателей;

• в разработке методических и технологических приемов автоматизированного расчета водохозяйственных показателей на элементарных речных бассейнах;

• разработке методических и технологических приемов автоматизированного расчета водохозяйственных показателей в элементах русловой сети;

• в разработке методических и технологических приемов автоматизированного водохозяйственного районирования в различных пространственных и временных масштабах.

Результаты, полученные в работе, достоверны и обоснованы, что обеспечивается использованием современного математического аппарата и технологических средств, большого объема статистических данных, объективных критериев районирования, а также подтверждается путем сопоставления расчетных и фактических данных по притоку воды к водохранилищам Волжско-Камского каскада (средняя относительная погрешность составляет 9 %). Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика автоматизированного водохозяйственного районирования, основанная на принципах выделения элементарных речных бассейнов в качестве исходных единиц районирования и наложении на них распределенной водохозяйственной информации, представляемой в разрезе единиц административного деления;

2. Методы использования геоинформационной системы Агс\Че\у и информационно-моделирующего комплекса ЕСОМАО в качестве инструментария для построения автоматизированной технологии водохозяйственного районирования;

3. Технология автоматизированного водохозяйственного районирования на базе технологических платформ АгсУ1е\у и ЕСОМАС, включающая в себя оригинальные алгоритмы и компьютерные программы;

4. Практические приемы автоматизированного водохозяйственного районирования на

примере бассейна Волги и серия водохозяйственных карт для этого бассейна. Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 24 - 26 мая 2005 года), на 7 Международном конгрессе «Вода: экология и технология - Экватэк-2006» (Москва, 30 мая - 2 июня 2006 года), Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года), на конференциях молодых ученых Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2003,2005) и Государственного института прикладной экологии (2004). Кроме того, результаты работы были представлены на Генеральных ассамблее европейской ассоциации геофизических наук (General Assembly EGS) в 2006 г.

По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ. Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы из 125 наименований. Работа включает 148 страниц текста, в том числе 45 рисунков и 1 таблицу.

Благодарности: автор выражает глубокую благодарность и признательность научному руководителю Ю.Г.Мотовилову за помощь в подготовке диссертации, коллегам по работе Е.С. Дмитриеву, Н.В. Коваль и О.О. Бородину за помощь в постановке проблемы, научные консультации и расстановку необходимых акцентов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Первая глава диссертации посвящена рассмотрению методических основ водохозяйственного районирования (ВХР). Районирование является необходимым звеном в научном познании непрерывно изменяющейся среды обитания человека, в изучении причин, содержания и развития процесса территориальной дифференциации и организации хозяйственной и социальной жизни общества. В последнее время отмечается повышенный интерес к вопросам районирования, что обусловливается, прежде всего, необходимостью изучения отличий природных и экономических условий различных районов, учет которых необходим для обеспечения наибольшей эффективности использования природных ресурсов.

Под районированием понимается процесс выявления картографического отображения и описания объективно существующих природных или производственных территориальных комплексов различного ранга.

ВХР тема не новая для исследования. Решению этого вопроса посвящены работы многих ученых - А.Б. Авакяна, И.Я. Блехцина, С.Л. Вендрова, Г.В. Воропаева, А.П. Голикова, A.M. Гареева, П.А. Деревянко, К.В. Долгополова,

И.С. Зайцевой, В.П. Захарова, В.П. Зволинского, Н.И. Коронкевича,

М.Т. Мелешкина, Н.Г. Овсянникова, М.А. Пояга,

Е.Ф. Федоровой, H.H. Фаворина, П.И. Яковленко и др.

Анализ выполненных ранее работ по ВХР позволяет отметить некоторые общие черты подходов авторов к этому вопросу. На ранних этапах развития водохозяйственного районирования в качестве районообразующего фактора обычно принимались некомплексные показатели или местные факторы. Преобладающим при разработке схем районирования был качественный подход к решаемым задачам. Зачастую, система признаков, заложенных в основу районирования, зависела только от опыта и интуиции исследователя, что могло приводить к субъективным результатам. Такой подход делал затруднительным использование и тиражирование методики на другие регионы без участия их создателей. В течение долгого времени нерешенной оставалась проблема однозначного выделения количества и границ единиц районирования, а также проблема их объективной классификации. Поэтому нерешенным оставался вопрос об оценке степени объективности того или иного способа районирования. При всем разнообразии подходов к водохозяйственному районированию заметно стремление разработчиков учитывать бассейновый принцип в ВХР.

На сегодняшний день, в связи с внедрением новых управленческих систем и технологий, необходим новый подход и свежий взгляд на проблему районирования территории.

Разработанное водохозяйственное районирование основывается на применении двух основополагающих подходов - бассейнового и административного. Суть метода заключается в выделении элементарных речных бассейнов и наложении на них распределенной водохозяйственной информации, обычно представляемой в разрезе единиц административного деления. Такой подход делает возможным учет обеих важнейших групп факторов, определяющих степень развития региона и его эколого-экономическое состояние. Это группа природных факторов, нашедшая свое отражение в применении бассейнового подхода, и антропогенная группа факторов, отраженная в административном подходе. Использование такой совокупности подходов позволяет комплексно рассматривать вопросы взаимодействия хозяйственных мероприятий и окружающей среды, минимизировать негативные последствия антропогенной нагрузки путем разработки соответствующих водоохранных мер. Рассмотрим подробнее эти подходы.

Главной целью административного районирования является совершенствование территориального управления и оптимизация территориальной организации производительных сил общества. К его преимуществам относится то, что административное деление РФ уже проведено на различных иерархических уровнях. На основе административного районирования в стране осуществляется сбор и анализ различной статистической информации. Однако к его недостаткам можно отнести неэффективность управления водными ресурсами в трансграничных зонах и недостаточный учет природных факторов. В связи с этим, предлагается использовать существующие административные единицы не в

качестве единиц районирования, а только как информационную основу районирования.

Бассейновый принцип управления водным хозяйством определен самой природой. Управление водными ресурсами, основанное на этом принципе, является на сегодняшний день всемирно признанным [Коронкевич и др., 1994, 2003]. Под бассейновым подходом понимается комплексная оценка данных по водным ресурсам, их использованию и охране, антропогенным нагрузкам на всем водосборном бассейне [Калашникова, 1982]. Использование элементарных речных бассейнов в качестве исходных единиц районирования позволяет решить проблему определения границ районов. В данном случае они проводятся по водоразделам, что позволяет перейти на количественное (с использованием математического аппарата), а не качественное решение этого вопроса.

Сочетание бассейнового и административного принципов позволяет наиболее четко определить экологическую напряженность в регионе, обнаружить причины сложившейся ситуации, провести совместный анализ природных компонентов и антропогенной нагрузки, спрогнозировать дальнейшее развитие ситуации, найти и рекомендовать оптимальные меры по совершенствованию структуры водопользования и улучшению экологической обстановки.

Во второй главе диссертации рассмотрены технологические аспекты автоматизированного водохозяйственного районирования. Предложенная методика водохозяйственного районирования требует использования средств автоматизации, программно-математической и информационной поддержки, без которых невозможно решение поставленных задач.

Созданная на этой основе технология должна автоматизировано осуществлять следующие процедуры:

• выделение элементарной бассейновой структуры на исследуемой территории;

• под держка различных типов данных;

• географическая привязка информации;

• расчет водохозяйственных показателей по элементарным бассейнам;

• построение и отображение карт водохозяйственного районирования в различных пространственных и временных масштабах.

Анализ этих требований приводит к выводу о необходимости использования мощных интегрированных систем управления базами данных. Одним из важнейших моментов при окончательном выборе программного продукта является возможность поддержки картографической информации. В качестве оптимального программного продукта в данном случае рассматриваются географические информационные системы (ГИС), являющиеся закономерным расширением концепции баз данных, дополняя их наглядностью представления пространственно распределенной информации и возможностью решать задачи практического анализа. ГИС представляет собой мощный аппарат системы поддержки принятия решений.

Разработка автоматизированной системы ВХР территории требует привлечения большого числа информационных источников. Их количество и тематическое разнообразие в значительной степени определяются природными и водохозяйственными особенностями территории, ее размером, масштабом исходной карты и желаемым масштабом районирования. Однако существует ряд обязательных исходных данных. Это цифровая модель рельефа местности, топографические и тематические карты, данные Государственного водного кадастра, ежегодных статистических сборников по использованию и охране водных ресурсов, данные по форме 2-ТП (ВОДХОЗ).

Для пересчета данных, представленных по административным единицам РФ, на бассейновую структуру района и расчета выбранных водохозяйственных критериев по элементарным бассейнам требуется мощный программируемый математический аппарат, дополняющий по своим возможностям ГИС. Для этих целей был использован информационно-моделирующий комплекс (ИМК) ЕСОМАв, включающий в себя: математическую модель ЕСОМАв, специализированную ГИС - Есогг^ Ех1епйоп, базы данных информации о характеристиках территории и управляющую оболочку [Мотовилов и др., 2003]. Модель ЕСОМАв - версия пространственно-распределенной модели гидрологического цикла, формирования стока, переноса и трансформации загрязняющих веществ в речных бассейнах. Комплекс позволяет проводить построение модельной речной сети и выделение бассейновых структур на основе цифровой модели рельефа, а открытая структура ИМК, позволяющая включать в себя дополнительные программные модули, дает возможность автоматизировать процесс расчета водохозяйственных показателей.

Обратимся к более подробному рассмотрению технологической основы автоматизированного водохозяйственного районирования.

В работе проведен анализ возможностей ГИС для решения задач автоматизированного водохозяйственного районирования. Для этого рассмотрены основные аспекты, связанные с формированием геоинформационных технологий. На сегодняшний день геоинформационные системы являются стремительно развивающейся областью, лежащей на пересечении многих дисциплин. В связи с этим существует множество определений ГИС, предложенных разными авторами. Однако в целом их можно свести к следующему: географическая информационная система - это интерактивная информационная система, обеспечивающая сбор, хранении, доступ, отображение пространственно-организованных данных и ориентированная на возможность принятия научно-обоснованных управленческих решений [Трифонова и др., 2005].

С целью объективного выбора ГИС, максимально отвечающей требованиям работ по проведению водохозяйственного районирования, были критически проанализированы наиболее распространенные в нашей стране настольные ГИС, а именно: МарМо, АгсУюху, \VinGis, СеоОга\у/ГеоГраф. В итоге был сделан вывод о необходимости использования ГИС Агс\Че\у, фирмы Е8Ш. Это обусловлено развитыми функциональными возможностями комплекса, наличием

инструментальной базы, позволяющей проводить разнообразный анализ данных, легкостью создания собственных приложений и широким распространением программы среди зарубежных и российских пользователей. Возможности комплекса значительно расширяются внешними модулями Arc View - Spatial Analyst, 3D Analyst, Dialog Disigner, а также внутренним языком программирования Avenue.

Выделение элементарных речных бассейнов производится на основе ИМК ECOMAG. В качестве минимальной расчетной единицы в пространственно-распределенной модели ECOMAG используется элементарный речной бассейн. Технология автоматизированного выделения элементарных речных бассейнов основана на анализе цифровой модели рельефа местности (ЦМР) с помощью ГИС ArcView и включает несколько этапов:

1. Выявление и корректировка локальных понижений ЦМР. Локальное понижение -это ячейка или несколько связанных в пространстве ячеек, направлению стока по которым нельзя приписать ни одно из возможных. После выявления и удаления всех локальных понижений формируется бездепрессионная модель рельефа, и на ее основе будет моделироваться речная сеть.

2. Вычисление полей направлений потока на основе откорректированной ЦМР. Направление потока в каждой ячейке грида рельефа определяется путем поиска направления самого большого падения из каждой ячейки.

3. Построение и корректировка модельной речной сети. Результаты расчета накопления потоков используются далее для создания модельной сети водотоков с использованием порогового значение для набора ячеек с высоким накоплением стока. Преобразование растровой линейной сети в векторную речную сеть выполняется на основе алгоритма Дугласа-Пойкера с допуском в половину размера ячейки [Tarboton et.al., 1991]. Для наиболее точного приближения вычисленной речной сети к реальной в комплексе реализован механизм корректировки рельефа рабочего грида.

4. Анализ модельной речной сети и выделение элементарных речных бассейнов. Заключительным этапом моделирования речной сети является присвоение числового порядка сегментам грида, представляющего ветви растровой линейной русловой сети. В ИМК ECOMAG предусмотрена двойная кодировка порядка притоков. В первом случае по методу Шрива [Shreve, 1966], когда всем участкам водотоков, не имеющим притоков, присваивается порядок 1. Порядок увеличивается от истока к устью. При пересечении двух потоков их величины складываются и присваиваются нижнему отрезку водотока. Во втором случае используется кодировка, чаще применяемая в России, когда главной реке присваивают нулевой порядок, впадающие в них притоки имеют первый порядок, притоки, впадающие в притоки первого порядка, обозначают притоками второго порядка и т.д. Области аккумуляции стока между узлами речной сети представляют собой элементарные речные бассейны.

Собственно технология водохозяйственного районирования состоит из нескольких этапов.

Первый этап: моделирование речной сети и элементарных речных бассейнов с помощь Ecomag Extension - модуля, специально созданного разработчиками ИМК ECOMAG для совмещения программного комплекса и ГИС ArcView. Он позволяет формировать рабочий грид рельефа, задавать параметры и строить модельную речную сеть различной степени детальности, выделять водосборы для интересующей точки и выделять в них элементарные речные бассейны. Второй этап: подготовка таблиц с исходной водохозяйственной информацией из сборников данных Государственного водного кадастра и других статистических источников, представленной по административным единицам, а также формирование массивов данных по водным ресурсам различной обеспеченности по субъектам РФ.

Третий этап: проведение водохозяйственных расчетов для различных пространственных и временных масштабов районирования с использованием разработанного автором программного модуля «Region», входящего в состав ИМК ECOMAG, включающего в себя следующие, логически взаимосвязанные, процедуры.

На первом стадии работы модуля «Region» осуществляется считывание параметров, записанных в изначально подготовленную таблицу с исходными водохозяйственными данными по административным единицам. Определяется формат чисел всех используемых в модуле величин и переменных и осуществляется контроль данных.

В следующей процедуре производится перераспределение значений исходных данных таблицы и расчет водохозяйственных показателей (ВП) для каждого элементарного участка речного бассейна. Перераспределение производится путем весового осреднения значения показателя по площади элементарного участка с использование весового коэффициента доли площади субъекта РФ, входящей в пределы элементарного участка к, по формуле:

Л - значение ВП на элементарном участке ¡, а, - значение ВП для ]-го субъекта РФ

п - количество субъектов РФ, полностью или частично входящих в пределы элементарного участка.

Затем производится расчет значений водохозяйственных показателей для элементов речной сети по алгоритму:

В щп — значение показателя на элементарном речном бассейне ш в элементе речной сети 1

Ь - водохозяйственный показатель на элементарном речном бассейне п - номер элемента речной сети на элементарном участке т, начиная с верховьев

п

Aj = Е kjа i=l

j

элементарного бассейна

р - номер порядка реки, на которой находится элемент речной сети п Мр - максимальный порядок реки выше по течению от элемента речной сети п N, - количество притоков порядка I выше по течению от элемента речной сети п Ьщ - общая длина элементов речной сета на элементарном бассейне ш - длина элемента к речной сети

В следующей процедуре осуществляется расчет всех водохозяйственных критериев и показателей для каждого элементарного участка речного бассейна.

Завершающая процедура заключается в формировании ASCII-файлов по каждому интересующему водохозяйственному показателю в формате, пригодном для отображения в ArcView.

Четвертый этап: проведение районирования и отображение результатов в виде: карт водохозяйственного районирования по различным показателям в разрезе элементарных бассейнов и участков речной сети. Для проведения водохозяйственного районирования и, соответственно, необходимых для этого расчетов следует осуществить ряд предварительных процедур: задание критического числа ячеек аккумуляции и построение модельной речной сети (рис. 1), отображение водосбора для интересующей точки речной сети, выделение на нем элементарных речных бассейнов, величина которых зависит от детальности речной сети. Запуск модуля «Region» позволяет выполнить расчет водохозяйственных критериев и показателей для каждого элементарного бассейна. Карты водохозяйственного районирования отображаются с использованием модуля Ecomag Extensioa

Апробация разработанной методики и технологии автоматизированного водохозяйственного районирования выполнена на примере бассейна Волги.

В первом параграфе третьей главы дается характеристика бассейна Волги: физико-географическое описание, характеристика экологических условий водоемов и краткий анализ основных источников загрязнения водных объектов.

В следующем разделе проанализированы возможные критерии водохозяйственного районирования. Рассмотрение различных подходов к данному вопросу выявило целесообразность использования не прямых показателей ведения водного хозяйства и использования вод, а относительных критериев, представляющих собой основу для оценки эффективности водопотребления, водопользования, экологической обстановки на исследуемой территории.

Система критериев включает большое число различных показателей как обобщенных для всего водохозяйственного комплекса, так и характерных для разных видов водопользователей. При выборе показателей районирования целесообразно применять такие критерии, использование которых было бы актуально в течение сравнительно длительного времени.

Для наиболее полного и емкого отображения водохозяйственной обстановки в бассейне Волги было выбрано несколько водохозяйственных показателей. К ним относятся: коэффициент эффективности использования вод (Кэф), коэффициент использования вод (Кив), коэффициент загрязнения вод (Кмгр),

I i

Рис. 1 Модельная речная сеть li бассейне Волги с различным пороговым значением ячеек аккумуляции: а) -100, б) - 2000

коэффициент крупности водопользователей (К|М), коэффициент кратности разбавления сточных иод (Ккр}, коэффициент загрязнения водных ресурсов производством (К;аф|1), коэффициент очистки вод в производстве (К,,,,), коэффициент превышения лимитов забора вод (Ксв:г), коэффициент водообеспеченности населения (Квоб), коэффициент затрат на охрану водных ресурсов (К„), коэффициент затрат на охрану вод надушу населения (К,,,).

Перед проведением водохозяйственных расчетов для оценки точности и достоверности, получаемых с помощью разработанной технологии, результатов было проведено сопоставление расчетных значений водных ресурсов по модели стягивания информации но длине речной сети с литературными данными но среднегодовому стоку водохранилищ в створах гидроузлов водохранилищ Волжско-Каме кого каскада. Из литературных источников рассматривались данные Государственного водного кадастра [2002|, данные, приведенные в работах B.C. Вуглинского [1991| и A.I I. Жиркевича [2000]. Средняя абсолютная погрешность расчета стока в створах гидроузлов составляет 5,5 км, а средняя относительная ошибка 8,9%, Из этого можно сделать заключение о достаточно хорошей сходимости результатов вычислений, что позволяет судить о корректности методических подходов бассейнового районирования и используемых для этого алгоритмов и технологических процедур.

Далее в диссертации проведено районирование бассейна Волги по различным водохозяйственным показателям в масштабе элементарных

бассейнов, соизмеримых с территориями субъектов РФ.

Коэффициент эффективности использования воды

Одним из показателей экономичности хозяйства регионов может служить коэффициент эффективности использования воды, рассчитываемый для каждого элементарного бассейна, как отношение валового регионального продукта (ВРП) к объему забора воды для промышленного использования (Зв):

к _ ВРП

К-эф- —^-

Из рис. 2 видно, что наиболее эффективно вода использовалась в центральной и восточной частях бассейна Волги (за исключением рек Самара, Кама выше Боткинского водохранилища, Клязьма и Волга на территории Ивановской и Нижегородской областей). Здесь каждый потраченный м3 воды дает от 160 до 800 рублей ВРП. Наиболее водоемкие производства сосредоточены в бассейнах Камы, Унжи, Костромы, Мологи, Тверды, Медведицы, Суды, Волги в течении ниже Саратовского водохранилища, где отдача с 1 м3 воды не превышает 100 р. В целом, можно говорить об экстенсивном использовании водных ресурсов в бассейнах данных областей. Однако следует подчеркнуть некоторую условность данного показателя, поскольку различные производства, отличаются водоемкостью производственных процессов.

Коэффициент крупности водопользователей

На рис. 3 показано распределение по выделенным элементарным бассейнам показателя крупности водопользователей, представляющего собой отношение объема воды, забираемой из поверхностных водоемов (Зв), к общему числу водопользователей (Впз):

3

1Г _ ■-'в

Крв" -ц-

Из рисунка видно, что наиболее крупные водопользователи расположены в пределах Московской, Пермской, Костромской, Тверской, Самарской и Саратовской областей. Самое большое число мелких водопользователей сосредоточено в бассейнах Рыбинского водохранилища и рек Цна, Мокша, Жиздра, Зуша. Несколько более крупные - в бассейнах рек Вятка, Белая, Уфа, Ай, Зай, Шешма, и в низовьях Оки.

Если сопоставить полученные результаты со структурой использования воды по областям, то можно отметить достаточно тесную корреляцию: мелкие водопользователи сосредоточены в тех областях, где преобладает использование воды на хозяйственно-бытовые нужды, а крупные водопользователи - в областях с преобладающим использованием воды на промышленные нужды, либо на сельскохозяйственные и оросительные

мероприятия. Интересен также совместный анализ распределения по бассейну Волги этого показателя и показателя эффективности использования водных ресурсов, между которыми заметна довольно тесная корреляция. Так большинство крупных водопользователей достаточно неэффективно использует водные ресурсы, что, возможно, связано с использованием

Рис. 2 Коэффициент эффективности Рис. 3 Коэффициент крупности водопользователей использования водных ресурсов

Коэффициент крупности водопользователей, млн м куб / водопользователе!

0-0.2

■ 0 2 - 0.3

ов ■ 03-04

04-08

О.Э ■ 1

1 ■ 3.2

I г ■ 1.5

1 3- 2

2-2.3

25-3

■н 3-4

устаревших технологий, замедленным переходом крупных предприятий на замкнутую систему водоснабжения производства. Исключением является только Московская область, где значения показателя эффективности использования вод являются одними из самых высоких в бассейне Волги (более 350 р/м3).

Антропогенную нагрузку на водные ресурсы хорошо иллюстрирует отношение забора пресной воды для использования к величине местных водных ресурсов (Рв) -коэффициент использования вод:

и =

Лив р

Для большей части бассейна, эта доля составляет менее 0,1 а в бассейнах рек на территории Пермской, Кировской и Тверской областей даже менее 0,05. В областях с развитыми промышленными агломерациями (Нижегородская, Тульская области, Республика Татарстан) доля используемых местных ресурсов возрастает до 0,2, причем в Московской области достигает 0,5. В этих регионах уже значительно ощущается дефицит местных водных ресурсов. В южных областях с ограниченными местными водными ресурсами коэффициент использования водных ресурсов достигает 2. По существу это означает, что местные водные ресурсы далеко не покрывают потребностей водопользователей, и водозабор осуществляется за счет речного стока из других областей - доноров.

Рассматривая отношение объема забранных поверхностных вод к лимиту поверхностного водопотребления (Зл) - коэффициент превышения лимитов забора вод:

—

^СВЛ О

■Эл

следует отметить, что на большей части Волжского бассейна ситуация представляется весьма благополучной: забор воды не превышает 0,9 от лимитируемого значения. Напряженная ситуация складывается только в Московском регионе (бассейны рек Оки, Клязьмы, Москвы, Осетр), и в зонах, приуроченных к водохранилищам Куйбышевскому (бассейны рек Зай, Вятка, Меша, Большой Черемшан) и Саратовскому (бассейны рек Большой Иргиз, Еруслан, Камелик, Терешка). В верховьях Уфы (бассейны рек Юрузань, Ай) и бассейнах Угры забор воды превышает допустимые значения в 2-3,5 раза.

Еще одним показателем антропогенной нагрузки на водные ресурсы является коэффициент кратности разбавления загрязненных сточных вод [Коронкевич и др., 2003], представляющий собой отношение местных водных ресурсов к объему загрязненных сточных вод (С3):

р

К — ГВ кр £

Эта величина характеризует кратность разбавления загрязненных сточных вод местными водными ресурсами. Наиболее благоприятная обстановка по данному показателю наблюдается в бассейне Камы выше Нижнекамского водохранилища, где кратность разбавления загрязненных сточных вод

ресурсами местного водного стока больше 80, удовлетворительная - по всему среднему течению Волги. В бассейнах рек Московского региона и в нижнем течении Волги, где кратность разбавления загрязненных сточных вод ресурсами местного водного стока находится в диапазоне от 1 до 20, ситуация почти катастрофична. По существу эти области являются основными загрязнителями водных ресурсов.

Совместный анализ распределения по бассейну Волги этого коэффициента и коэффициента превышения лимитов забора вод показывает, что Московская, Саратовская области и Республика Татарстан являются главными потребителями водных ресурсов, превышающими выделенные лимиты водопотребления, а местные водные ресурсы являются максимально загрязненными сбрасываемыми сточными водами. Из этого следует, что на территории данных районов требуется проведение водоохранных, а именно водоочистных мероприятий, и они будут весьма эффективны.

Коэффициент водообеспеченности населения

Коэффициент является отношением местных водных ресурсов (Р„) к количеству населения (Н), проживающему на территории бассейна.

Трудности с водообеспеченностью населения возникают в бассейнах Оки и всей центральной и южной частях бассейна Волги. Практически вся северная и восточная части бассейна находятся в зоне достаточной водообеспеченности (исключая бассейн Уфы).

Сравнивая распределение коэффициента эффективности использования воды и коэффициента водообеспеченности населения можно отметить общую тенденцию, заключающуюся в стремлении к максимально эффективному использованию воды в бассейнах с недостаточной водообеспеченностью. Исключением здесь является только бассейн Большого Иргиза

Одним из важных показателей экологичности производства может являться коэффициент загрязнения водных ресурсов производством, представляющий собой отношение объемов сбросов загрязненных вод и заборов воды из поверхностных водоемов:

С3

Кзагрп 3„

По этому критерию наилучшие показатели отмечаются в бассейнах рек на территории Пермской, Костромской, Пензенской, Рязанской, Тульской, Волгоградской и Липецкой областей, а также в Чувашской и Мордовской республиках и Республике Башкортостан, где доля очищенных сточных вод превышает 0,8 от забираемых для использования. Наихудшие показатели имеют бассейны рек, расположенные на территории Кировской, Владимирской, Ярославской, Ульяновской областей. Здесь, наоборот, доля загрязненных сточных вод превышает 0,7.

Коэффициент очистки вод в производстве представляет собой отношение объемов сброшенных загрязненных и очищенных сточных вод (Сч):

_ С, Коп ~ С,

Анализируя его, можно сказать, что на большей части бассейна Волги показатель меньше или равен 3. Однако в ряде бассейнов ситуация катастрофична: объемы сброшенных загрязненных сточных вод превышают объемы сброшенных очищенных сточных вод более чем в 100 раз. При этом особо выделяются бассейны, относящиеся к Ярославской, Саратовской, Пензенской, Орловской и Тульской областям. Рассматривая совместно эти два коэффициента, характеризующих состояние производства и очистных сооружений, можно отметить определенную корреляцию, что говорит о неэффективности водопотребления в данных бассейнах: т.е. в них сбрасываются значительные объемы сточных вод и, по большей части, неочищенные.

Кроме того в диссертации проанализированы коэффициент затрат на охрану водных ресурсов, представляющий собой отношение затрат на охрану водных объектов (Зо) к объемам забора пресных вод, и коэффициент затрат на охрану водных ресурсов на душу населения, представляющий собой отношение затрат на охрану водных объектов к численности населения (Н).

_ Зо _ Зо

Кзо- зв *зн- н

Наибольшие удельные капиталовложения на охрану водных ресурсов осуществляются в бассейне Камы и ее притоков (особенно р. Белой), а минимальны они в бассейнах Унжы, Большого Иргиза и самых верховьях Волги и Оки. По отношению затрат на охрану водных ресурсов к численности населения благоприятными оказываются бассейны Москвы, Тверцы и Камы. Проводя анализ этих распределений, стоит отметить, например, что в Московском регионе на водоохранные цели расходуются значительные средства. При этом водные ресурсы используются весьма эффективно (рис. 2), что говорит об эффективности как производственных технологий, так и вложенных в охрану вод средств. А вот в бассейне Камы, где вложения в водоохрану также весьма велики, производство еще не перешло на высокий технологический уровень.

Модели стягивания информации по водохозяйственным показателям

Результаты расчета по модели стягивания информации по длине речной сети по забору поверхностных вод, представленные на рис. 2, получены путем импортирования в ГИС ArcView ASCII- файлов, сформированных при проведении водохозяйственных расчетов. Результирующие грид-темы были преобразованы в точечный файл векторного формата и отображены с

использованием масштабируемой легенды. Толщина линии речной сети изменяется в зависимости от значений водохозяйственного показателя.

Водохозяйственное районирование, являясь инструментом для поддержки принятия решений в водохозяйственных вопросах, имеет широкий спектр практического применения. Его использование целесообразно на различных административных уровнях. В связи с этим необходимым представляется применение различных пространственных масштабов районирования.

Технология автоматизированного водохозяйственного районирования предоставляет такую возможность. Под изменением пространственного масштаба в данном случае понимается деление территории на элементарные участки различной величины: от участков, сопоставимых по размеру с бассейном достаточно крупных рек или площадью субъекта РФ до участков, равных по территории бассейнам малых рек 5-7 порядка или же близких к районному уровню при административном делении.

Районирование по укрупненным элементарным речным бассейнам, показанное в предыдущем параграфе, позволяет оценивать водохозяйственную обстановку и решать возникающие вопросы по всему крупному речному бассейну. Оно является полезным для управления крупными речными бассейнами и экономическими регионами, особенно при составлении федеральных программ развития регионов, использования региональных ресурсов и для долгосрочного планирования перспектив развития хозяйства региона.

Применение элементарных речных бассейнов малых рек в качестве единиц районирования позволяет перейти к более крупному масштабу районирования. При этом, автоматизированная технология позволяет выделить более подробную речную сеть и, соответственно, .более мелкие элементарные речные бассейны. В качестве исходной водохозяйственной информации здесь могут быть использованы данные по водопользованию, агрегированные на уровне районов, городов, населенных пунктов. Так на рис. 4 представлено распределение показателя водообеспеченности населения на территории Нижегородской области в мелком (а) и укрупненном масштабе районирования (б). Очевидно, что подробный масштаб полезнее для районирования на внутриобластном уровне, оценки водохозяйственной обстановки по конкретным районам, с учетом местных условий производства и других районных показателей.

Вышесказанное можно отнести и к результатам расчетов по модели стягивания информации по длине речной сети, которые представлены на рис. 4 для показателя сброса загрязненных сточных вод при различных пространственных масштабах районирования.

Использование крупного масштаба районирования позволяет определить целесообразность размещения различных видов производства с учетом возможного воздействия на местные водные ресурсы, разработать комплекс водоохранных мероприятий, определить наилучшее место для их проведения, где экологический эффект от их проведения будет максимальным, а финансовые затраты при этом будут стремиться к минимуму.

а

б

Рис, 4 Коэффициент водообесцеченности и сброс загрязненных вод для различных пространственных масштабов районирования на территории Нижегородской области, а) мелкий б) укрупненный масштабы районирования

Коэффициент водообвсоеченкосги населения, м куб/чел

| 0- 05

| 0.6 - 1 I 1 ■ 2

2-6

| 5- 10

и I ID - 20

СИ | 30 ■ 50

Г~1 I'SD-fiM

| >100

Сброс загрязненных вод, »» '.'ПН м. куб.

0-10

■ ю - 100

■ too - ioO

300 - 600 600 - 1000 1000 - У500

гьоо - еооо

Коэффициент водообеспечен населения, м куб/чал 1 - 2 2 - 5 5 - 10

10-20

ности

В России водные ресурсы распределяются весьма неравномерно как по территории, так и по времени. Внутригодовое распределение стока в целом по территории страны не соответствует запросам большинства отраслей народного хозяйства - на значительной части территории РФ на долю стока в период половодий и паводков приходится более V* речного стока.

Для принятия обоснованных управленческих решений в различные временные периоды в работе предлагается проводить водохозяйственное районирование в различных временных масштабах. С этой целью на территорию бассейна Волги были построены карты минимального месячного модуля стока. Кроме того, для перехода к различным временным масштабам с помощью модели ЕСОМАв были рассчитаны и построены поквартальные карты речного стока Волги по конкретным годам. Для проверки точности полученных данных был построен расчетный суммарный гидрограф притока воды к водохранилищам Волжско-Камского каскада за 2002-2004 годы -тонкая линия на рисунке 5. Толстая линия на графике представляет собой суммарный приток к водохранилищам ВКК по данным Росгидромета. При проведении расчетов было определено, что критерий Нэша-Саттклиффа, характеризующий степень соответствия расчетного и фактического гидрографов, рассчитанный по формуле:

г2 = 1 ^(Оо'-ОтУ Е'^до'-Зо)2

где СЬ - фактический сток, С>т - расчетный, равняется 0,91, что свидетельствует о хорошей сходимости результатов и достоверности работы модели.

ЭЮТ8 ! 1 1 II

гжго «7553 ! 1 I 1

78« в ¡А 'У \

3003 3003 3004

Рис. 5 Расчетный и фактический гидрографы притока воды к водохранилищам Волжско-Камского каскада (2002-2004)

Коэффициент загрязнения водных ресурсов Одним из показателей антропогенной нагрузки на водные ресурсы является отношение количества загрязненных сточных вод к местным или общим водным ресурсам региона:

__Сз_

Кзагр — Р„

На рис. 6 представлено распределение показателя загрязнения водных ресурсов по территории бассейна Волги в первом и втором кварталах 2003 г. Максимальная антропогенная нагрузка отмечается в первом квартале - в период зимней межени, а минимальная - во втором - в период прохождения весеннего половодья. Для различных водных объектов разница между значениями показателя в первом и втором кварталах изменяется в 3 - 8 раз. На картах, приведенных в диссертации, видно, что распределение этого показателя в третьем и четвертом квартале года достаточно близко. Однако стоит отметить, что большое количество осадков в третьем квартале привело к снижению значений показателя загрязнения водных ресурсов.

Из приведенных карт следует, что в период зимней межени загрязнения вод максимально, поэтому именно на этот период необходимо ориентироваться при разработке норм водопотребления и водопользования.

Проведенные исследования показали, что рассмотрение различных пространственных и временных масштабов районирования позволяет наиболее четко определить зоны с максимальной экологической напряженностью, рассмотреть эти территории более детально и определить вклад каждого элементарного бассейна и водотока в экологическую ситуацию региона.

В заключении работы приведены основные результаты исследования, связанные с защищаемыми положениями, составляющие основное содержание работы:

1. Разработана методика водохозяйственного районирования с применением различных водохозяйственных критериев и показателей, основанная на бассейновом и административном подходах;

2. Выполнен анализ возможностей различных технологических средств для решения задач, связанных с районированием территории по водохозяйственным показателям, в результате которого был сделан вывод о целесообразности использования ГИС ArcView и информационно-моделирующего комплекса ECOMAG;

3. Разработаны методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных критериев и показателей на основе официальных статистических данных с использованием разработанного программного модуля «Region»;

4. Разработана методика и компьютерная технология построения моделей стягивания информации по длине речной сети, позволяющая оценить вклад каждого водотока в экологическую ситуацию региона;

Рис. 6 Коэффициент загрязнения водных ресурсов в 2003 г. а) 1 квартал, б) II квартал

5. Разработаны методические и технологические приемы проведения районирования территории в различных пространственных и временных масштабах. Такое районирование позволяет определить и более детально рассмотреть зоны с максимальной экологической напряженностью, обнаружить причины сложившейся ситуации, провести совместный анализ природных компонентов и антропогенной нагрузки, найти и рекомендовать оптимальные меры по улучшению структуры водопользования и экологической обстановки.

6. Проведена апробация компьютерных технологий на примере бассейна Волги, для различных пространственных и временных масштабов. В результате были получены карты водохозяйственного районирования по следующим водохозяйственным поазателям: эффективность использования вод, использование вод, загрязнение вод, крупность водопользователей, кратность разбавления сточных вод, загрязнение водных ресурсов производством, очистка вод в производстве, коэффициент превышения лимитов забора вод, водообеспеченность населения, затраты на охрану водных ресурсов, затраты на охрану вод на душу населения.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1. Шикунова Е.Ю. Создание паспорта качества водного объекта с использованием ГИС-технологий//Тез.докл. Всероссийского конгресса работников водного хозяйства - М., 2003. - С.46-147

2. Шикунова Е.Ю. Использование ГИС-технологий при создании паспорта качества водного объекта, // Труды ИПГ, вып.82,2004. - С. 192-194

3. Шикунова Е.Ю. Разработка принципов и методологии административно-водохозяйственного районирования территории// Труды ГИПЭ Проблемы прикладной экологии и гелиогеофизики, 2005г. - С. 53-57

4. Шикунова Е.Ю. Разработка принципов и методологии административно-водохозяйственного районирования территории // Сборник выступлений Китайско-Российского форума молодых ученых, г.Ченду (КНР), 2005. - С. 206-209

5. Шикунова Е.Ю. Административно-водохозяйственное районирование в различных пространственно-временных масштабах, Труды ИПГ, вып. 85, 2006.-С.100-105

6. Shikunova E.U. Computer-based technology for estimation of condition and management of water resources at a catchment scale, Geophysical Research Abstracts, Vienna 2-7 April 2006, Vol. 8, General Assembly EGS, http://www.cosis.net/abstracts/EGU06/02838/EGU06-J-02838.pdf

7. Шикунова Е.Ю. Автоматизированная технология водохозяйственного районирования территории // ЭКВАТЕК-2006 Тез. докл. 7-го международного конгресса «Вода: экология и технология» - Москва, 2006. - С. 286-287

8. Шикунова Е.Ю. Технология гидрографического районирования и выделения водохозяйственных участков, Тез. докл. второй конференции молодых ученых национальных гидрометслужб государств-участников СНГ - М., 2006. - С. 103-105

9. Шикунова Е.Ю. Автоматизированная технология водохозяйственного районирования территории // Использование и охрана природных ресурсов в России. - 2006. - №6 - С. 67-68

V

Содержание.

Введение.

1. Методические основы водохозяйственного районирования.

1.1 Место районирования в управлении природными и антропогенными процессами.

1.2 Водохозяйственное районирование в СССР.

1.3 Методика водохозяйственного районирования.

1.3.1 Административной подход.

1.3.2 Бассейновый подход.

1.4 Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов.

2. Технология автоматизированного водохозяйственного районирования.

2.1 Возможности информационных систем для решения задач водохозяйственного районирования.

2.1.1 История развития геоинформационных систем.

2.1.2 Определение геоинформационной системы.

2.1.3 Выбор базовой ГИС.

2.1.4 ГИС-пакет Arc View.

2.2 Технология автоматизированного выделения элементарных речных бассейнов.

2.2.1 Анализ локальных понижений.

2.2.2 Вычисление направлений потока.

2.2.3 Построение модельной речной сети.

2.2.4 Корректировка рельефа рабочего грида.

2.2.5 Анализ модели речной сети и элементарных водосборов.

2.3 Информационная основа для водохозяйственного районирования.

2.4 Технологические процедуры автоматизированного водохозяйственного районирования.

2.4.1 Специализированный программный модуль Ecomag Extension для ГИС ArcView.

2.4.2 Создание исходной информационной таблицы.

2.4.3 Специализированный программный модуль «Region» ИМК ECOMAG.

2.4.4 Процедура районирования территории.

2.4.5 Отображение результатов.

3. Апробация технологии автоматизированного водохозяйственного районирования на бассейне Волги.

3.1 Характеристика бассейна Волги.

3.1.1 Физико - географическое описание бассейна Волги.

3.1.2 Общая характеристика экологических условий водоемов Волжского региона.

3.1.3 Основные источники загрязнения водных объектов.

3.2 Методические подходы к выбору критериев водохозяйственного районирования.

3.3 Водохозяйственное районирование бассейна Волги.

3.4 Районирование в различных пространственных и временных масштабах.

3.4.1 Пространственные масштабы районирования.

3.4.2 Временные масштабы районирования.

Актуальность работы. Актуальной задачей водного хозяйства на сегодняшний день является совершенствование системы управления водными ресурсами. Сложность этой задачи обусловлена большим числом отраслей, использующих водные ресурсы, и наличием глубокой взаимосвязи между природой и обществом. Острота водохозяйственных проблем и постоянное усиление антропогенного воздействия на окружающую среду влияют на специфику управления водными ресурсами.

Реализация государственной политики России в области управления, использования, воспроизводства и охраны водных ресурсов основывается на схемах комплексного использования охраны водных объектов. Схемы комплексного использования и охраны водных объектов представляют собой информационную основу для выбора актуальных эффективных решений при разработке, планировании и осуществлении программ по использованию и охране водных объектов, а также для установления лимитов водопотребления и водоотведения. Намечаемые в схемах водохозяйственные и водоохранные мероприятия осуществляются через федеральные, бассейновые и территориальные программы по использованию, восстановлению и охране водных объектов [Коваленко и др., 2006].

Для разработки таких схем, а также водохозяйственных балансов водных объектов в новом Водном кодексе Российской Федерации (2006 г.) указана необходимость осуществления гидрографического и водохозяйственного районирования.

В современных условиях решение задачи водохозяйственного районирования территории должно основываться на современной научной, информационной, математической и технологической базе. Использование автоматизированных технологий водохозяйственного районирования позволит повысить его объективность, а также эффективность управления водными ресурсами. Автоматизированное водохозяйственное районирование формирует базу для выделения упорядоченных, организованных систем водного хозяйства и создает этим основу для оперативного управления водным потенциалом страны, его использованием и охраной.

Принципиальная позиция автора в ходе выполнения работы заключается в использовании широко доступных статистических материалов в качестве исходных данных, что делает предлагаемую технологию общедоступной.

Объектом исследования является водные ресурсы в целях контроля их использования и управления водным хозяйством, а предметом исследования диссертации является автоматизированное водохозяйственное районирование.

Основная цель диссертационной работы состоит в разработке методики и технологии проведения автоматизированного водохозяйствен ного районирования.

Для достижения этой цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

• Разработать методику водохозяйственного районирования;

• Выполнить анализ возможностей технологических средств для решения задач, связанных с районированием территории по водохозяйственным показателям;

• Разработать методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных показателей;

• Разработать методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных показателей в элементах русловой сети и построения модели стягивания информации по длине речной сети;

• Разработать методические и технологические приемы проведения районирования территории в различных пространственных и временных масштабах;

• Провести апробацию технологии автоматизированного водохозяйственного районирования на примере бассейна Волги.

Исходные материалы и методы исследований. При проведении исследований в качестве исходных данных использовались электронные топографические и тематические (природно-климатического и водно-ресурсного потенциала регионов) карты различных масштабов, цифровые модели рельефа различного пространственного разрешения, справочно-статистическая информация (в первую очередь, данные Государственных докладов о состоянии окружающей природной среды, Государственного водного кадастра и сведения об использовании воды по форме 2-ТП (ВОДХОЗ).

При обработке, анализе и подготовке данных, для разработки компьютерной технологии автоматизированного водохозяйственного районирования использовались современные технологические средства: географическая информационная система (ТИС), специальное программирование в тех случаях, когда стандартные средства анализа, представляемые ГИС-технологиями, оказывались недостаточными для решения поставленных задач, и информационно:моделирующий комплекс ECOMAG.

Практическая значимость работы.

Результаты проведенных исследований имеют выраженный прикладной аспект. При апробации разработанной технологии районирования на бассейне Волги получена серия водохозяйственных карт, позволяющих представить обстановку в регионе с различных сторон с использованием разнообразных водохозяйственных критериев и показателей. Результаты, полученные с помощью разработанной методики и технологии автоматизированного водохозяйственного районирования в различных пространственных и временных масштабах, позволяют комплексно рассматривать вопросы взаимодействия хозяйственных мероприятий и окружающей среды, рекомендовать меры по снижению негативных последствий антропогенной деятельности путем проведения водоохранных мероприятий или отказа от экологически необоснованных проектов, и, в целом, могут служить информационной и технологической поддержкой при проведении нового водохозяйственного районирования на территории России в связи с принятием Водного кодекса РФ (2006 г.).

Исследования проводились в рамках научно-исследовательских работ Государственного института прикладной экологии по государственному контракту № АТ-03-28/823 от 17 декабря 2004 года и были использованы при подготовке методики водохозяйственного районирования в ФГУП «Центр Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра» (справка о внедрении от 06.02.2007).

Научная новизна работы заключается

• в новом современном подходе к решению водохозяйственных задач, выразившемся в создании методики и технологии автоматизированного водохозяйственного районирования на основе бассейнового подхода с использованием различных критериев и показателей;

• в разработке методических и технологических приемов автоматизированного расчета водохозяйственных показателей на элементарных речных бассейнах;

• разработке методических и технологических приемов автоматизированного расчета водохозяйственных показателей в элементах русловой сети;

• в разработке методических и технологических приемов автоматизированного водохозяйственного районирования в различных пространственных и временных масштабах.

Результаты, полученные в работе, достоверны и обоснованы, что обеспечивается использованием современного математического аппарата и технологических средств, большого объема статистических данных, объективных критериев районирования, а также подтверждается путем сопоставления расчетных и фактических данных по притоку воды к водохранилищам Волжско-Камского каскада (средняя относительная погрешность составляет 9 %).

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методика автоматизированного водохозяйственного районирования, основанная на принципах выделения элементарных речных бассейнов в качестве исходных единиц районирования и наложении на них распределенной водохозяйственной информации, представляемой в разрезе единиц административного деления;

2. Методы использования геоинформационной системы ArcView и информационно-моделирующего комплекса ECOMAG в качестве инструментария для построения автоматизированной технологии водохозяйственного районирования;

3. Технология автоматизированного водохозяйственного районирования на базе технологических платформ ArcView и ECOMAG, включающая в себя оригинальные алгоритмы и компьютерные программы;

4. Практические приемы автоматизированного водохозяйственного районирования на примере бассейна Волги и серия водохозяйственных карт для этого бассейна.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы исследований водохранилищ» (Пермь, 24 - 26 мая 2005 года), на 7 Международном конгрессе «Вода: экология и технология - Экватэк-2006» (Москва, 30 мая - 2 июня 2006 года), Второй конференции молодых ученых национальных гидрометеорологических служб государств-участников СНГ (Москва, 2-3 октября 2006 года), на конференциях молодых ученых Института прикладной геофизики им. акад. Е.К. Федорова (2003,2005) и Государственного института прикладной экологии (2004). Кроме того, результаты работы были представлены на Генеральных ассамблее европейской ассоциации геофизических наук (General Assembly EGS) в 2006 г.

Основные результаты исследования и решения задач, связанных с защищаемыми положениями и составляющих основное содержание работы, заключаются в следующем:

1. Разработана методика водохозяйственного районирования с применением различных водохозяйственных критериев и показателей, основанная на бассейновом и административном подходах;

2. Выполнен анализ возможностей различных технологических средств для решения задач, связанных с районированием территории по водохозяйственным показателям, в результате которого был сделан вывод о целесообразности использования ГИС ArcView и информационно-моделирующего комплекса ECOMAG;

3. Разработаны методические и технологические приемы автоматизированного расчета водохозяйственных критериев и показателей на основе официальных статистических данных с использованием разработанного программного модуля «Region»;

4. Разработана методика и компьютерная технология построения моделей стягивания информации по длине речной сети, позволяющая оценить вклад каждого водотока в экологическую ситуацию региона;

5. Разработаны методические и технологические приемы проведения районирования территории в различных пространственных и временных масштабах. Такое районирование позволяет определить и более детально рассмотреть зоны с максимальной экологической напряженностью, обнаружить причины сложившейся ситуации, провести совместный анализ природных компонентов и антропогенной нагрузки, найти и рекомендовать оптимальные меры по улучшению структуры водопользования и экологической обстановки.

6. Проведена апробация компьютерных технологий на примере бассейна Волги, для различных пространственных и временных масштабов. В результате были получены карты водохозяйственного районирования по следующим водохозяйственным показателям: эффективность использования вод, использование вод, загрязнение вод, крупность водопользователей, кратность разбавления сточных вод, загрязнение водных ресурсов производством, очистка вод в производстве, коэффициент превышения лимитов забора вод, водообеспеченность населения, затраты на охрану водных ресурсов, затраты на охрану вод на душу населения.

138

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Авакян А.Б. Водохранилища Волжско-Камского каскада ГЭС и проблемы их эксплуатации.//Гидротехн.стр-во. 2000. - № 1, - с. 29-32

2. Авакян А.Б. Водные проблемы: мифы и реальность. М.: Знание, 1991.-45с.

3. Авакян А.Б. Волга в прошлом, настоящем и будущем. Москва, Экопресс-ЗМ, 1998.-31с.

4. Авакян А.Б. Можно ли спасти Волгу// Энергия: экономика, техника, экология 1993. - №7, - с.22

5. Авакян А.Б., Широков В.М. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. Учебное пособие для геогр. спец. вузов. Минск: Изд-во БГУ, 1990.-239 с.

6. Алинст Д.М. О принципах эколого-агрохимического районирования земледелия на территории РСФСР. М., Изд-во «Наука», 1991.

7. Алисов Б.П. Климат СССР. М., «Высшая школа», 1956. - 104с.

8. Алышев Е.М., Костылева Н.Е. Государственный водный кадастр. Обобщенные данные использования вод по России за 2002. год. МПР России Центр Российского регистра гидротехнических сооружений и государственного водного кадастра, М., 2003.

9. Антипов А.Н., Бачурин Г.В. Географо-гидрологические основы изучения и использования малых рек, 1990.

10. Атрощенко О. А., Толкач И.В. Дистанционные методы зондирования лесов и геоинформационные системы в лесном хозяйстве. -Минск. БГТУ, 2003.

11. Бабурин B.JI. Неизвестные и малоизвестные страницы отечественного районирования. М., URSS, 2006. - 389с.

12. Безопасность России. Правовые, социально- экономические и научно-технические аспекты. Экологическая безопасность, устойчивое развитие и водоохранные проблемы. М., МГФ Знание, 1999.

13. Благоверов Б.Г., Воропаев Г.В., Исмаилов Г.Х., Федоров В.М. Водохозяйственное районирование для обоснования территориального перераспределения водных ресурсов СССР.//Водные ресурсы 1978. - №6 -с.5-19

14. Блехцин И.Я., Минеев В.А. Производительные силы СССР и окружающая среда. М. Мысль, 1981. - 214с.

15. Бородавченко И.И., Лозановская И.Н., Орлов Д.С., Михура В.И. Комплексное использование и охрана водных ресурсов. М.: Колос, 1983. -175с.

16. Быль П. «ГИС для каждого теперь на Web». Компьютерные вести on-line, №8, 1998., статья опубликована по адресу http://www.kv.by/indexl 998.083401 .htm

17. Введение в 3D Analyst. ESRI, 2002.

18. Вендров C.JI. Комплексное использование и охрана водных ресурсов и некоторые вопросы гидрометеорологического обслуживания.//Метеорология и гидрология. 1962. - №4

19. Вендров C.JI. О некоторых задачах географических наукв связи с проблемами водохозяйственного благоустройства. Вопросы географии. М., Мысль 1976.

20. Вендров C.JI., Коронкевич Н.И. Географические аспекты переброски стока. М.: МФГО, 1984. - 103с.

21. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера.- М.:Айрис Пресс :Рольф, 2002. 573с.

22. Водный кодекс РФ, 1995.Г., ст. 76.

23. Водный кодекс РФ, 2006г., ст. 32, 33.

24. Воробьева Т.А., Поливанов B.C., Фадеева И.В. Роль природохозяйственного районирования в организации информации и экологических ГИС. Сб. «Территориальные системы природопользования. Анализ и синтез» М., изд-во МГУ, 2001.

25. Воропаев Г.В. Задачи и организация научных исследований в связи с проблемой перераспределения водных ресурсов.//Водные ресурсы. 1976. -№3

26. Воропаев Г.В. Регулирование и комплексное использование водных ресурсов. М.: Наука, 1987. -156с.

27. Воропаев Г.В., Благоверов Г.К., Исмайылов Г.Х. Экономико-географические аспекты формирования территориальных единиц в водном хозяйстве страны. -М.: Наука, 1986.- 237с.

28. Воропаев Г.В., Вендров C.JI. Теория и практика управления водными ресурсами суши. М.: Наука, 1985. - 155с.

29. Воропаев Г.В., Исмаилов Г.Х., Федоров В.М. Моделирование водохозяйственных систем аридной зоны СССР. М.: Наука, 1984. - 312с.

30. Воропаев Г.В., Исмаилов Г.Х., Федоров В.М. Проблемы управления водными ресурсами Арало-Каспийского региона. М.: Наука, 2003. - 426 с.

31. Воропаев Г.В., Исмаилов Г.Х., Федоров В.М. Развитие водохозяйственных систем. Методы анализа и оценки эффективности их функционирования. -М.: Наука, 1989. -294с.

32. Воропаев Г.В., Местечкин В.Б. Физико-географические основы формирования водохозяйственных балансов. М. Наука, 1981. - 135 с.

33. Вуглинский B.C. «Водные ресурсы и водный баланс крупных водохранилищ СССР» J1. Гидрометиздат, 1991. - 223 с.

34. Гальцева Т.В. Об экономо-географическом изучении водного хозяйства (на примере Чехословацкой республики). География и хозяйство. -М. изд-во МГУ, 1960. с.50-54

35. Гареев A.M. Водохозяйственное районирование Башкирской АССР//Природно-мелиоративное районирование Урала. Красноярск: Изд-во СибНИИИГиМ, 1981.-С.67-71

36. Гареев A.M. Географо-экономические основы комплексного использования и охраны водных ресурсов бассейна реки. Учебн. пособие по спецкурсу. Челябинск Уфа.: БГПИ, 1990. - 121с.

37. Гаппаров Х.К., Кучкаров Ш.З. Гидрографический бассейновый системный принцип управления водными ресурсами, структура бассейна, создание информационной базы данных в системе водного хозяйства республики Узбекистан. Алматы, 2004.

38. Гершензон В.Е. и др. Информационные технологии в управлении качеством среды обитания: Учебн. пособие для студ. Высш. Пед. Учеб. Заведен. М.: Издат. Центр «Академия», 2003. - 288с.

39. Голиков А.П. Территориальная оценка водного хозяйства СССР. -Харьков: изд-во Харьк. Ун-та. Вища шк.1982. 144с.

40. ГОСТ 15971-90 «Системы обработки информации. Термины и определения»

41. ГОСТ 52438-2005. «Географические информационные системы. Термины и определения»

42. Государственный доклад «О состоянии окружающей природной среды Российской Федерации в 2002. году»

43. Дальков М.П., Рыбаков Ю.С., Черняев A.M., Логинова Н.Н. Методические указания по разработке оценочных водохозяйственных карт водосборных территорий Волжского бассейна. Екатеринбург, ФГУП РосНИИВХ, 2001.

44. Деревянко П.А. Сельскохозяйственное водоснабжение Монгольской народной республики. Тр. лаб. гидрогеол. проблем им. Ф.П. Саваренского. М. изд-во АН СССР, 1959. Т.21 - 132с.

45. Добровольский Г.В. Урусевская С.В. География почв. М., изд-во МГУ, 1984.

46. Долгополов К.В., Федорова Е.Ф. Вода национальное достояние. -М.: Мысль, 1973.-255с.

47. Егоров А.Н., Зыбина Л.Н., Иванова В.П. и др. Водохозяйственное районирование и экономическая оценка водных ресурсов//Тр. Гидропроекта. -М.: Энергия, 1973.

48. Зайцева И.С. Маловодные годы в бассейне Волги: природные и антропогенные факторы. М.: Б.И., 1990. - 184с.

49. Захаров В.П., Чокин Ш.Ч. Основы методики составления водохозяйственных балансов//Пробл. Гидроэнергетики и водного хозяйства. -Алма-Ата: Наука, 1964. Вып. 2 с.3-40

50. Исаченко А.Г. Основы ландшафтоведения и физико-географическое районирование. М., Изд-во. «Высшая школа», 1965. - 365с.

51. Калашникова Т.М. Экологическое районирование. М., изд-во МГУ, 1982.-216с.

52. Киншт А.В. Почвенно-экологические принципы районирования территории для сельскохозяйственных целей. Автореферат диссертации д.с.-х. н.,Барнаул, 2000. - 34с.

53. Коваленко О.А., Устинова А.В., Занин Р.А. Комментарии к водному кодексу Российской Федерации. М.: «Изд-во Проспект», 2006. - 120с.

54. Коломийцев В.Н. Разработка комплекса математических моделей оценки качества вод речного бассейна для автоматизированной системы экологического мониторинга. М., 1998. дис. на уч.ст. к.т.н. - 174с.

55. Колосовский Н.Н. Теория экономического районирования. М.: Мысль, 1969.-336с.

56. Концепция федеральной целевой программы «Оздоровление экологической обстановки на реке Волге и ее притоках, восстановление ипредотвращение деградации природных компонентов Волжского бассейна». -М, 1995.

57. Коронкевич Н.И., Зайцева И.С., Черногаева Г.М. Антропогенное воздействие на водные ресурсы России и сопредельных государств в конце XX столетия. М.: Наука, 2003. -386с.

58. Коронкевич Н.И., Львович М.И. Водный баланс Русской равнины и его антропогенные изменения. М.: Наука, 1999. - 203с.

59. Коронкевич Н.И., Розанов Л.Л. Географическое прогнозирование природоохранных проблем. М.: Институт географии, 1988. - 203с.

60. Коронкевич Н.И., Черногаева Г.М. Малые реки России. М.: Институт географии, 1994. - 294с.

61. Косариков А.Н. Состояние окружающей среды и природных ресурсов нижегородской области в 2002. г. Департамент природных ресурсов по приволжскому региону, Н.Новгород, 2001.

62. Красилова Е.Ю. Схемы комплексного использования и охраны водных ресурсов.//Природные ресурсы России, спецвыпуск «Водное хозяйство» М., 2003.

63. Краснощеков А.Н., Трифонова Т. А., Мищенко Н.В. Геоинформационные системы в экологии: Учебн. пособие / Владим. гос. ун-т. -Владимир, 2004. 152с.

64. Крицкий С.Н., Менкель М.Ф. Методические основы построения водохозяйственных балансов//Тр. Гидропроекта. М.: Энергия, 1964. Сб. 12 -с.167-185

65. Кузин П.С. Классификация рек и гидрологическое районирование СССР.-Л, 1964.-455с.

66. Куприянова Т.П. Принципы и методы выделения физико-географического районирования с применением ЭВМ. М.: Наука, 1977. - 23 с.

67. Лоули Д., Максвелл А. Факторный анализ как статистический метод. М.: Мир, 1967. 144с.

68. Львович М.И. Вода и жизнь (Водные ресурсы, их преобразование и охрана). М.: Мысль, 1986. - 253 с.

69. Львович М.И. Мировые водные ресурсы и их будущее. М. Мысль, 1974.-488с.

70. Маас Артур, Дорфман Роберт Проектирование схем комплексного использования водных ресурсов. Изд-во «Энергия», М., Л., 1966

71. Малышев С.В. ГИС-технологии компании ESRI // Муниципальные геоинформационные системы: Матер, конф. Обнинск. 1995. - с. 15-16

72. Мартыненко А.И., Бугаевский Ю.А., Шибалов С.И., Фадеев В.А. Основы ГИС: теория и практика. WINGIS руководство пользователя. Изд. 2-е./ - М.: Изд-во Инженерная экология, 1995.

73. Марченко А.А., Афиногенова Л.В. Разработка информационно-методического обеспечения для оценки эколого-ресурсного состояния бассейна р. Волги на базе автоматизированной системы водохозяйственного районирования. ИНПЦ «Союзводпроект», М., 2002. - 117с.

74. Мелешкин М.Т., Зайцев А.П., Маринов X. Экономика и окружающяя среда. М.: Экономика 1981. - 279с.

75. Мильков Ф.Н. Ландшафтная география и вопросы практики. М. Мысль, 1966. - 256с.

76. Мирончик В.М., Саечников В.А. Прогноз уровня затопления и экономического ущерба в пойме рек на основе Arc View // ArcReview №1 (20) -М.:Дата+, 2002.

77. Многолетние характеристики притока воды, ледовых явлений и толщины льда крупнейших озер и водохранилищ России. Государственный водный кадастр, СПб, Гидрометиздат, 2002

78. Моисеенко Т.И. Эколого-токсикологические основы нормирования антропогенных нагрузок на водоемы. СПб.: Российский Институт Озероведения, 1992.

79. Мотовилов Ю.Г., Дмитриев Е.С., Беднарук С.Е., Герасимов С.В., Егоров В.М. Автоматизированная информационно-управляющая система

80. АИУС) «Водные ресурсы». Водные проблемы и пути их решения, Йошкар-Ола, 2003.

81. Найденко В.В. Великая Волга на рубеже тысячелетий: от экологического кризиса к устойчивому развитию. Н.Новгород: Промграфика, 2003. - 792 с.

82. Овсянников Н.Г. Генеральная перспективная схема комплексного использования водных ресурсов и водохозяйственного строительства// Изв. АН СССР. Сер. Геогр. 1961 - №5 - 28-36

83. Островский А.А. Методологические основы гидрогеологического районирования территории СССР. ВНИИ Гидрогеологии. Изд-во «Недра» М., 1990.

84. Пахомова Н.В.; К. Рихтер Экология и экономика. СПб, 2001.

85. Пегов С.А. Хомяков П.М. Моделирование развития экологических систем. J1., Гидрометеоиздат, 1991.

86. Постановление Правительства Российской Федерации «О порядке разработки, согласования, государственной экспертизы, утверждения и реализации схем комплексного использования и охраны водных ресурсов» от 13 сентября 1996. г., № 1097.

87. Пояг М.А. Комплексное использование и охрана ресурсов Молдавии. Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1974. - 183с.

88. Прохорова Н.Б. Эколого-экономический механизм управления водохозяйственной деятельностью в бассейне реки в период перехода к устойчивому развитию. РосНИИВХ, Екатеринбург, 1997.

89. Рыбак О.П. Охрана окружающей среды в России. ГосКомСтат России, -М., 2001.

90. Саушкин Ю.Г. История и методология географической науки. М.: Изд-во МГУ, 1969 - 423 с.

91. Саушкин Ю.Г. Экономическая география: история, теория, методы, практика. М.: Мысль, 1973. - 559с.

92. Соколов А.А. Гидрография СССР. М., Изд-во «Наука», 1985.

93. Соколовский Д.JI. Речной сток, Л., Гидрометеоиздат., 1968.539с.

94. Тикунов B.C. Моделирование в картографии. М.: Изд-во МГУ, 1997.-405 с.

95. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощекое А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: Учебн. пособие для вузов. М.: Академический проект, 2005. -325с.

96. Трофимов А. М., Заботин Я. И., Панасюк М. В., Рубцов В. А. Количественные методы районирования и классификации. Казань: Изд-во Казан, ун-та, 1985. - 119 с.

97. Трофимов A.M., Панасюк М.В. Геоинформационные системы и проблемы управления окружающей средой. Казань, изд-во Казанского ун-та, 1984.- 142 с.

98. Фаворин Н.Н. Схема классификации рек Средней Европейской части СССР и в горных засушливых районах по технико-хозяйственному принципу//Изв АН СССР. Сер. Геогр., 1949 Т. 13 - №1 XXX

99. Федорова Е.Ф. О водохозяйственном районировании СССР//Известия АН СССР. Серия географическая, 1969 №6 - с.47-57

100. Черняев A.M. Вода России. Речные бассейны. Екатеринбург, Изд-во «Аква-Пресс», 2000.

101. Шахраманьян М.А. Новые информационные технологии в задачах обеспечения национальной безопасности России (природно-техногенные аспекты). Монография. М.: ФЦ ВНИИ ГОЧС, 2003. - 398с.

102. Шикунова Е.Ю. Автоматизированная технология водохозяйственного районирования. Использование и охрана природных ресурсов - 2006 - №6 - с.67-68

103. Шимельниц И.Я., Исмайылов Г.Х., Федоров В.М. Методические основы водохозяйственного районирования // Водные ресурсы 1975. - №1 - с. 30-47

104. Экологическое состояние окружающей среды бассейна Волги (1991-2002гг.) МПР РФ Н.Новгород, 2003.

105. Яблоков Ю.Е. Ресурсы поверхностных вод СССР. М., 1973.

106. Яковленко П.И. Методика гидрологического районирования территории БССР для целей искусственного восполнения запасов подземных вод. Харьков: ВНИИВО, 1973. вып.2

107. ArcView GIS. Руководство пользователя. ESRI Inc., 1996.

108. ArcView Imagine Analyst. Руководство пользователя. ESRI Inc., 1996.1. XXX

109. Avenue. Customization and application development for ArcView. GIS ESRI Inc.-NY, 1997.-280 c.

110. Berry J.K. Is the GIS Cart in Front of the Horse ?//Gis World 1995. -№3.-c.34-38

111. Berry J.K. What's in a Model?//GIS World. 1995. - №1. - c.22-26.

112. Copporck J.T., Anderson E.K. Editorial review. «International Journal Geographical Informatin Systems», 1987., vol. №1, c.3-11

113. Dueker Kenneth J. Geographic information systems and Computer-aidedmapping. «Journal American Planning Association», 1987. - 53 - №3. - c. 383-390

114. Jenson S. K. and J. O. Domingue. 1988. Extracting Topographic Structure from Digital Elevation Data for Geographic Information System Analysis, Photogrammetric Engineering and Remote Sensing. Vol. 54, No. 11, November 1988., c. 1593-1600.

115. Mark, D. M. 'Network Models in Geomorphology', Modeling in Geomorphologic Systems. John Wiley, 1988.

116. Motovilov Yu.G., Gottschalk L., Engeland K., Belokurov A. ECOMAG a regional model of hydrological cycle. University of Oslo. Institute Report Series no. 105. 1999.

117. Rodriguez-Iturbe I. Fractal river basins. Cambridge univ. press, 2001.,547 c

118. Shreve R. L. Statistical law of stream numbers, Journal of Geology, 74, c. 17-37, 1966.