УДК 004.021

ИССЛЕДОВАНИЕ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА НА МАЛЫХ РЕКАХ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕХНОЛОГИЙ КОМПЬЮТЕРНОГО ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Писарев Андрей Владимирович1, Юданов Владислав Васильевич2, Грицкевич Марина Владимировна3
1Волгоградский государственный университет, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры информационных систем и компьютерного моделирования
2Волгоградский государственный университет, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры информационных систем и компьютерного моделирования
3Волгоградский государственный университет, студент кафедры информационных систем и компьютерного моделирования

Аннотация
Предложен метод мониторинга состояния малых рек Волгоградской области с помощью компьютерного гидродинамического моделирования с сочетанием возможностей дистанционного зондирования Земли.

Ключевые слова: аэрофотосъемка, дистанционное зондирование Земли, компьютерное моделирование паводков


RESEARCH OF THE HYDROLOGICAL REGIME ON THE SMALL RIVERS OF THE VOLGOGRAD REGION USING TECHNOLOGIES OF COMPUTER SIMULATION OF THE HYDRODYNAMIC

Pisarev Andrey Vladimirovich1, Yudanov Vladislav Vasilyevich2, Grickevich Marina Vladimirovna3
1Volgograd State University, PhD in Physico-Mathematical Sciences, Assistant Professor Department of Information Systems and Computer Simulation
2Volgograd State University, PhD in Physico-Mathematical Sciences, Assistant Professor Department of Information Systems and Computer Simulation
3Volgograd State University, Student of Department of Information Systems and Computer Simulation

Abstract
In this paper, we propose a method of monitoring the state of the small rivers of the Volgograd region using computer hydrodynamic simulation with the possibilities of remote sensing.

Keywords: aerial photography, computer modeling of floods, remote sensing


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Писарев А.В., Юданов В.В., Грицкевич М.В. Исследование гидрологического режима на малых реках Волгоградской области с применением технологий компьютерного гидродинамического моделирования // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/01/62863 (дата обращения: 01.10.2017).

Гидрографическую сеть Волгоградской области формируют 115 рек различной протяженности [1]. Условно можно выделить следующую классификацию: малые (0-100 км), средние (101-500 км), большие (501-1000 км), очень большие (более 1001 км).

Рисунок 1. Реки Волгоградской области

Очень большие реки. В Волгоградской области можно выделить две большие реки – Волга (3530 км, в пределах области 415 км), Дон (1870 км, в пределах области 280 км) и Ахтуба (537 км, в пределах области – 90 км).

Большие реки. Хопер (980 км., в пределах области 222 км), Медведица (745 км, в пределах области 280 км)

Средние реки. Иловля (358 км, в пределах области 250 км), Бузулук (314 км, в пределах области 204 км.), Еруслан (278 км, в пределах области 102 км) и еще около десятка рек общей протяженностью до 200 км.

Таким образом, значительная часть водотоков Волгоградской области представлена малыми реками, в том числе ериками Волго-Ахтубинской поймы ( Булгаков, Бурчала, Гнилой, Дудак, Калинов, Каширин, Коршевистый, Кривой, Лещев, Огибной, Петлеватый, Поршневка, Проран, Прорва, Старая Ахтуба, Судомойка, Сухой Каширин, Таловой).

Рисунок 2. Фрагмент гидросети Волго-Ахтубинской поймы c ериками и озерами

Для моделирования паводков на территории Волгоградской области необходима цифровая модель рельефа местности.  Цифровые модели рельефа (ЦМР) являются важной составляющей при проведении различных гидродинамических расчетов. Они помогают понять исследуемую территорию и позволяют определить направления распространения водных потоков. ЦМР можно получить используя лазерное сканирование, стереоскопическую оптическую съемку или  интерферометрическую радиолокационную съемку [2, с. 55] . В открытом доступе [3] имеются ЦМР, покрывающие значительную часть земной поверхности (рис. 3). В частности, таковыми являются данные ASTER GDEM (Стереопары оптических снимков Terra Aster) [4] и SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) [5] (Интерферометрические пары радиолокационных снимков). Оба продукта имеют разрешение в 1 угловую секунду (что соответствует примерно 30 м/пикс). В конце 2014 Геодезическая служба США (USGS) начала публиковать данные SRTM разрешением в 1 угловую секунду [6]. До этого на весь мир, за исключением территории США, были доступны данные в 3 угловые секунды.  Для территории Волгоградской области обновленные данные стали доступны в середине 2015 года (Таблица 1).

Рисунок. 3. Покрытие территории России данными SRTM-1

ЦМР с более высоким разрешением можно получить с помощью космической и аэро съемки, но эти данные не находятся в свободном доступе и покупаются для определенной исследуемой территории.

Стоит особо отметить, что данные ДЗЗ позволяют построить рельеф поверхности Земли без учета рельефа дна водных объектов. Для построения моделей рельефа объектов гидрографии чаще всего прибегают к непосредственному исследованию дна при помощи промеров глубин ручным или автоматизированным способом.

Таблица 1 – Атрибутивные данные участка ЦМР окрестностей г. Волгоград


Рисунок 4. ЦМР окрестностей города Волгограда

Полученная цифровая модель (рис. 4) была апробирована по четырем гидростворам Волги и Ахтубы [7, с.114], удалось добиться согласия подъема уровня воды в компьютерном эксперименте с данными гидрологических измерений при одном и том же расходе воды. Однако в самой пойме наблюдались участки расхождения моделируемых и реальных зон затопления. В виду огромного количества водных объектов (несколько сотен) , значительная часть которых подвержена изменением русловых характеристик, создавать точную ЦМР для малых рек ручным способом нецелесообразно. Был предложен иной подход, включающий в себя следующие шаги:

1. Отбор данных ДЗЗ. Включает спутниковые снимки высокого и среднего разрешения для исследуемой территории. Также применяются снимки сверхвысокого разрешения, полученные с помощью беспилотных летательных средств.

2. Проведение компьютерных экспериментов, повторяющих условия на снимках ДЗЗ.

3. Сравнение результатов (рис. 5), поиск расхождений и их устранение (рис. 6). После определения различий, происходит автоматическая коррекция высотных характеристик ЦМР с последующим повторением компьютерного расчета.

Рис 5. Гидросеть Волго-Ахтубинской поймы по результатам компьютерного моделирования (слева) и по результатам обработки спутникового снимка Landsat 8 (справа)


Рис. 6. Расхождения зон затопления

Таким образом, имеется возможность построения цифровой модели рельефа дна множества гидрообъектов, по которым отсутствуют данные измерений глубин. Для малых рек Волгоградской области таких измерений нет (за исключением небольших областей) Работа ручным способом представляется достаточно громоздкой и в последствии потребует автоматизации. Однако только так можно получить высотные характеристики объектов гидрографии дистанционным способом.

Работа выполнена в рамках грантов РФФИ-14-07-31303_мол_а, РФФИ-14-07-97030 р_поволжье_а и РФФИ-15-45-02655 р_поволжье_а


Библиографический список
  1. Данные OSM в формате shape-файлов // Информационный портал ГИС и ДЗЗ. URL:http://gis-lab.info/ (Дата обращения 5.01.2016)
  2. Воронин А.А., Елисеева М.В.,  Писарев А.В., Хоперсков А.В., Храпов С.С. Имитационные модели динамики поверхностных вод с использованием данных дистанционного зондирования: влияние рельефа местности // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии.  2012, No. 3(19), С.54-62.
  3. Глобальные цифровые модели высот // Официальный портал компании “Ракурс”: программные решения в области геоинформатики, цифровой фотограмметрии и дистанционного зондирования URL:http://www.racurs.ru/ (Дата обращения 5.01.2016)
  4. Высотные данные ASTER GDEM // Официальный сайт. URL: http://asterweb.jpl.nasa.gov (Дата обращения 5.01.2016)
  5. Высотные данные SRTM // Официальный сайт. URL: https://lta.cr.usgs.gov/  (Дата обращения 5.01.2016)
  6. Данные Landsat8 // Геопортал геодезической службы США URL: http://earthexplorer.usgs.gov/  (Дата обращения 5.01.2016)
  7. Писарев А.В., Храпов С.С., Агафонникова Е.О., Хоперсков А.В. Численная модель динамики поверхностных вод в русле Волги: оценка коэффициента шероховатости // Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2013, N 1, с. 114-130.


Все статьи автора «Писарев Андрей Владимирович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: