Московский экономический журнал 7/2022

image_pdfimage_print

PDF-файл статьи

Научная статья

Original article

УДК 627.8; 556.5; 528.9:004

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_7_392

ПРАКТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛЫХ ВОДОЕМОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ЛОКАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ ОРОШЕНИЯ

PRACTICAL ASPECTS OF DETERMINING THE MORPHOMETRIC CHARACTERISTICS OF SMALL WATER BODIES WHEN DESIGNING LOCAL IRRIGATION AREAS

Туктаров Ренат Бариевич, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник отдела оросительных систем и гидротехнических сооружений, заместитель директора по науке, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (413123 Россия, Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, ул. Гагарина, д. 1), тел. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6063-3801, tuktarov.rb@gmail.com

Акпасов Антон Павлович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, исполняющий обязанности заведующего отделом оросительных систем и гидротехнических сооружений, ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (413123 Россия, Саратовская обл., Энгельсский р-н, р.п. Приволжский, ул. Гагарина, д. 1), тел. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0002-3252-7849, 1a9@mail.ru

Tuktarov Renat B., candidate of agricultural sciences, leading researcher of department of irrigation systems and hydraulic structures, deputy director of science, Federal State Budgetary Scientific Institution «Volga Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation» (Gagarina st., 1, w. s. Privolzhsky, Engels district, Saratov region 413123 Russia), tel. 8(8453) 75-44-20, ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6063-3801, tuktarov.rb@gmail.com

Akpasov Anton P., candidate of technical sciences, senior researcher, acting head of department of irrigation systems and hydraulic structures, Federal State Budgetary Scientific Institution «Volga Research Institute of Hydraulic Engineering and Land Reclamation» (Gagarina st., 1, w. s. Privolzhsky, Engels district, Saratov region 413123 Russia), tel. 8(8453) 75-44-20, https://orcid.org/0000-0002-3252-7849, 1a9@mail.ru

Аннотация. Определение количественных морфометрических показателей водохранилищ, не изученных с гидрологической точки зрения, является одной из приоритетных задач водохозяйственного и гидромелиоративного проектирования. На предпроектной стадии необходимо оценить целесообразность использования водоисточника на предмет его возможной эксплуатации и рационального использования водных ресурсов, а также определить гарантированный полезный объем воды, подаваемый для нужд орошения. В статье рассматриваются методические и практические подходы по определению морфометрических характеристик водоисточников с использованием современных технических средств и информационных технологий. Представлен авторский опыт определения морфометрических характеристик малых водоемов с использованием средств батиметрической съемки, данных дистанционного зондирования Земли и методов цифрового моделирования для целей проектирования и строительства локальных участков орошения. На примере водного объекта, расположенного в Саратовской области – водохранилища на р. Чапурка, показаны результаты расчета параметров водосборной площади водоема по данным радарной съемки SRTM, определения подпорных уровней, глубин, площадных и объемных характеристик водохранилища с использованием средств батиметрической съемки и цифровой модели рельефа. Описанный практический опыт определения морфометрических характеристик водохранилища и его водосбора может быть распространен на другие малые водные объекты России.

Abstract. Determining the quantitative morphometric indicators of reservoirs that have not been studied from a hydrological point of view is one of the priority tasks of water management and irrigation and drainage design. At the pre-project stage, it is necessary to assess the feasibility of using a water source for its possible operation and rational use of water resources, as well as to determine the guaranteed useful volume of water supplied for irrigation needs. The article discusses methodological and practical approaches to determining the morphometric characteristics of water sources using modern technical means and information technologies. The author’s experience in determining the morphometric characteristics of small water bodies using bathymetric survey tools, Earth remote sensing data and digital modeling methods for the design and construction of local irrigation sites is presented. On the example of a water body located in the Saratov region — a reservoir on the river. Chapurka, shows the results of calculating the parameters of the catchment area of ​​the reservoir according to the SRTM radar survey data, determining the backwater levels, depths, areal and volumetric characteristics of the reservoir using bathymetric survey tools and a digital elevation model. The described practical experience in determining the morphometric characteristics of a reservoir and its catchment can be extended to other small water bodies in Russia.

Ключевые слова: водохранилище, малые водоемы, орошение, морфометрические характеристики, водосборная площадь, полезный объем, водохозяйственный расчет, проектирование, батиметрическая съемка, дистанционное зондирование, ГИС-технологии, цифровая модель рельефа

Keywords: reservoir, small reservoirs, irrigation, morphometric characteristics, catchment area, useful volume, water management calculation, design, bathymetric survey, remote sensing, GIS technologies, digital elevation model

Введение

Важная роль в обеспечении устойчивости сельскохозяйственного производства в Российской Федерации, особенно в засушливых регионах, роста производства зерна, кормов, овощей и другой продукции, сохранения и повышения плодородия почвы принадлежит оросительной мелиорации земель. Как правило, выход продукции с каждого орошаемого гектара в 2-5 раза выше, чем на богарных землях при значительном увеличении производительности труда и эффективности использования трудовых и материальных ресурсов [1, 2].

Реализуемые в настоящее время меры государственной поддержки сельскохозяйственных товаропроизводителей в области мелиорации земель способствуют эффективному вводу в эксплуатацию новых массивов орошения. По данным ФГБНУ ВНИИ «Радуга» за период 2014-2019 гг. в Российской Федерации среднегодовой показатель роста орошаемых площадей составил 80-90 тыс. га [2]. В Саратовской области за 2014-2021 гг. было восстановлено и введено в эксплуатацию более 60 тыс. га поливных участков [3].

Необходимо отметить, что в последнее время у сельхозтоваропроизводителей проявляется интерес к строительству небольших по площади локальных участков орошения преимущественно с использованием вод местного стока. В частности, в Саратовской области, активно реализуются проекты по гидромелиорации земель с использованием поверхностных водоисточников (малых водоемов), устроенных на реках, балках и других понижениях рельефа, которые в основной массе являются не изученными с гидрологической точки зрения. Как правило в этой ситуации при осуществлении проектных работ особенно остро возникает вопрос о необходимости оценки водоисточника на предмет его возможной эксплуатации, определения гарантированного полезного объема воды для нужд орошения и рационального использования водных ресурсов.

Для проведения водохозяйственного расчета необходимо наличие полных и достоверных сведений о морфометрических характеристиках водного объекта и его водосбора, то есть количественных морфометрических показателей.

В рамках проведения данной работы на примере водохранилища, созданного на реке Чапурка и расположенного в Самойловском районе Саратовской области, представлен практический опыт определения морфометрических характеристик малых водоемов с использованием средств батиметрической съемки, данных дистанционного зондирования Земли и методов цифрового моделирования рельефа для целей проектирования и строительства локальных участков орошения.

Материалы и методы исследований

В качестве исходных материалов для получения морфометрических характеристик изучаемых водных объектов и их водосборов использовались данные радарной съемки земной поверхности SRTM3 (сервис Earthexplorer), цифровые космические снимки с картографических сервисов SASPlanet и EO Browser, а также данные батиметрической (промерной) и геодезической съемок, проведенных на полевом этапе.

Промер глубин водных объектов проводился в полуавтоматическом режиме однолучевым эхолотом, установленным на маломерном судне. Геодезические координаты точек эхолокации определялись встроенным в эхолот приемником спутниковой навигации GPS.

Цифровая модель рельефа дна водных объектов, основанная на регулярной сети высот сформирована методом ANUDEM [4, 5] с использованием инструментов многофункционального ГИС пакета ArcGIS 10.8.

Объекты исследований

Объектом исследований является водохранилище на р. Чапурка, расположенное в Самойловском районе Саратовской области. Устье реки находится в 26 км по левому берегу реки Красавка. Длина реки – 19 км, площадь водосборного бассейна – 57,3 км2 [6]. Водохранилище образовано путем перекрытия водотока плотиной в районе с. Самородовка.

До начала проведения исследований сведения о морфометрических и гидрологических характеристиках изучаемого водохранилища отсутствовали.

Результаты и обсуждение

К морфометрическим характеристикам водохранилища и его водосбора, используемым в дальнейшем для проведения водохозяйственных расчетов и обоснования целесообразности использования водного источника для нужд орошения, можно отнести такие показатели как значения площади и периметра водосбора, его высотных отметок и уклона, форма, протяженность, значения площади зеркала и объема при различных уровнях воды, средней глубины, критерия литорали изучаемого водохранилища, а также некоторые другие характеристики [7].

Проведение данного вида работ традиционными методами является достаточно трудоемким процессом и сопряжено с отсутствием как проектных данных, так и крупномасштабных картографических источников на объект исследования.

В эпоху активного развития методов цифрового картографирования и моделирования явлений и процессов наилучшей альтернативой классическим методам определения морфометрических характеристик водохранилищ для решения прикладных задач водохозяйственного и гидромелиоративного проектирования является использование материалов дистанционного зондирования Земли, средств батиметрической съемки и геоинформационных технологий и методов цифрового моделирования рельефа.

Расчет морфометрических параметров водосбора реки Чапурка до плотины водохранилища проводился по набору высотных данных SRTM3, представляющем собой готовую цифровую модель местности с разрешением в 1 секунду в 1 пикселе (~ 30 м) инструментами гидрологического анализа геоинформационной системы ArcGIS 10.8.

Точность данных SRTM по оценке различных авторов [8, 9, 10] позволяет использовать указанные материалы как на предпроектной, так и на поздних стадиях водохозяйственного проектирования.

Определение морфометрических характеристик водосбора водохранилища на р. Чапурка произведен по методике, описанной в источнике [11] и включающей в себя этапы:

  • создания ЦМР, свободной от локальных понижений рельефа;
  • построения карт направлений уклонов поверхности и аккумуляционных значений стока;
  • построение карты речной сети и водосборных бассейнов территории;
  • анализа морфометрических параметров водосбора.

Измеренное значение площади водосбора составило 30,9 км2, средняя высота водосбора – 189 м над уровнем моря при амплитуде колебаний отметок рельефа в пределах водосбора от 127 до 191 м (рисунок 1, таблица 1).

Площадь зеркала воды, длина и ширина водоема определены в соответствии с рекомендациями [7] путем измерения этих характеристик на цифровом космическом снимке высокого разрешения (~ 0,7 м/пиксел, картографический сервис SASplanet) в пределах, ограниченных линией уреза воды данного водохранилища при отметке наивысшего уровня воды (НПУ). Отметка линии уреза воды первоначально определялась с помощью спутниковых снимков, а затем непосредственно на объекте уточнялась геодезической съемкой.

Площадь зеркала водного объекта по результатам расчетов составила 0,611 км2. Длина водохранилища, представляющая собой наибольшую протяжённость изучаемого водоёма между противоположными берегами по его осевой линии, не превысила 5,91 км. Максимальная ширина водоёма, измеренная между противоположными максимально удаленными друг от друга берегами водоёма по направлению, перпендикулярному линии длины составила 238 м. Средняя ширина водохранилища, определенная как отношение его площади к длине, равна 104 м. Результаты определений линейных и площадных морфометрических характеристик водохранилища представлены в таблице 2.

Работы по батиметрической съемке водохранилища на реке Чапурка проводились с целью получения информации о характере рельефа дна, глубинах, площади уровенных поверхностей водоема и оценки водных запасов изучаемого объекта.

Подробный промер глубин водного объекта осуществлялся в летний период года в соответствии с требованиями действующих нормативно-методических документов [12] однолучевым эхолотом Deeper Chirp+ с точностью высотных отметок ± 0,1 м – при глубинах до 10 м и погрешностью плановых координат – 3-5 м. Гидрографические изыскания на открытой поверхности проведены по проектным галсам и курсу, обеспечивающему оптимальный уровень перекрытия смежных полос батиметрической съемки (рисунок 2).

Было разбито от 5 до 7 галсов вдоль всего водного объекта с расстоянием между галсами, не более 40 м. Расстояние между промерными точками в галсе не превышало 2 м. На заросших участках водохранилищ промеры глубин осуществлялись вручную с использованием техники дальнего заброса эхолота, а также с использованием водомерной рейки.

Общее количество промерных точек, характеризующих глубины водохранилища, составило 12394 ед.

Результат промерной съемки исследуемого водохранилища и представленный в виде набора данных, содержащего сведения о координатах съемочных точек (X, Y, Z), был использован при построении цифровой модели рельефа дна водного объекта в растровой регулярно-сеточной форме с шагом сетки 1 м. Технически данная операция была реализована с помощью инструмента TopotoRaster, входящего в модуль Spatial Analyst геоинформационной системы ArcGIS 10.8. Особенностью данного инструмента является способность создания гидрологически корректной ЦМР, близкой по точностным показателям и отличающейся возможностью корректно отображать поверхность с плавно изменяющимися по высоте участками и участками с резким перепадом высот [13].

Объемные и площадные характеристики водохранилища определены для разных уровней воды с шагом глубины 0,5 м с использованием инструмента Surface Volume модуля 3d Analyst. Принцип работы этого инструмента заключается в вычислении объема и площади пространства между заданной высотой плоскости и участками поверхности, которые находятся под ней.

Проведенное моделирование рельефа дна водохранилища позволило рассчитать такие важнейшие характеристики водного объекта, как среднее значение глубины, площадь и критерий литорали для каждого уровня воды, по значениям которых были построены батиграфические кривые водохранилища соответствующих зависимостей (рисунок 3).

Результаты проведения исследований показали, что диапазон глубин изучаемого водоема варьирует от 0,0 до 12,9 м при средней глубине при отметке НПУ – 3,6 м. Средствами батиметрической съемки и геоинформационного моделирования проведена оценка площади мелководий (h <2 м), которая составила 0,17 км2 или 28 % от площади зеркала при НПУ. Кроме того, определен уровень мертвого объема (УМО) водохранилища в соответствии с методикой и действующими санитарно-техническими требованиями [14].

Амплитуда колебания подпорных уровней (глубина сработки) водохранилища, характеризующая толщину слоя воды между НПУ и УМО составила 1,5 м, при этом значения объемов воды при отметках НПУ и УМО были равны 2,19 и 1,34 млн. м3 соответственно (таблица 3).

Фрагмент батиметрической карты водохранилища М 1:6000 с шагом изобат 0,5 м, созданной по результатам проведения батиметрической съемки и цифрового моделирования рельефа представлен на рисунке 4.

Заключение

Результаты проведения исследований показали, что для успешного решения задач в области водохозяйственного и гидромелиоративного проектирования наряду с традиционными решениями могут быть использованы современные технические средства и информационные технологии.

К основным преимуществам современных методов, на наш взгляд, можно отнести значительное снижение трудоемкости выполнения картографических работ и оперативное получение исходных данных, особенно в случаях полного отсутствия как проектных данных, так и крупномасштабных картографических источников на объект исследования.

В данной работе на примере водного объекта, расположенного в Саратовской области – водохранилища на р. Чапурка, показаны результаты расчета параметров водосборной площади водоема по данным радарной съемки SRTM, определения подпорных уровней, глубин, площадных и объемных характеристик водохранилища с использованием средств батиметрической съемки и цифровой модели рельефа. Описанный практический опыт определения морфометрических характеристик водохранилища и его водосбора может быть распространен на другие малые водные объекты России.

Список источников

  1. Федеральная целевая программа «Развитие мелиорации земель сельскохозяйственного назначения России на 2014 — 2020 годы» : Утв. Пост. Правительства РФ № 922 от 12.10.2013 г.// Система ГАРАНТ : [сайт]. – 2022. – URL: https://base.garant.ru/57419166/(дата обращения: 11.07.2022).
  2. Ольгаренко, Г.В. Аналитические исследования перспектив развития техники орошения в России: Информационно-аналитическое издание /Г.В. Ольгаренко, С.С. Турапин. – М: Коломна: ИП Лавренов А.В., 2020. – 128 с. – ISBN 978-5-9908948-9-1.
  3. В текущем году в Саратовской области введено 1 972,4 га орошаемых земель // ГТРК Саратов : [сайт]. – 2021. – URL: https://gtrk-saratov.ru/v-tekushhem-godu-v-saratovskoj-oblasti-vvedeno-1-9724-ga-oroshaemyh-zemel/ (дата обращения: 11.07.2022).
  4. Hutchinson, M. F. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits / M. F. Hutchinson // Journal of Hydrology. – 1989. – Vol. 106, issue 3–4. – P. 211–232.
  5. Hutchinson, M. F. Recent Progress in the ANUDEM Elevation Gridding Procedure / M. F. Hutchinson, T. Xu, J. Stein // Geomorphometry. Redlands, 2011. – P. 19–22.
  6. Открытые данные Федерального агентства водных ресурсов // Росводресурсы : [сайт]. – 2022. – URL: https://gis.favr.ru/opendata (дата обращения: 15.07.2022).
  7. Р 52.08.874-2018 Определение гидрографических характеристик картографическим способом: Рекомендации: дата введения 2019-01-01 / Росгидромет. – Изд. официальное. – Санкт-Петербург, 2018. – 172 с.
  8. Карионов, Ю. И. Оценка точности матрицы SRTM / Ю. И. Карионов // Геопрофи. – 2010. – № 1. – С. 48–51.
  9. Karwel, A. K. Estimation of the accuracy of the SRTM terrain model on the area of Poland / A. K. Karwel, I. Ewiak // The international archives of the photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences, 2008. – Vol. XXXVII, part B7. – P. 169–172.
  10. Сутырина, Е. Н. Определение морфометрических характеристик искусственных водоемов по данным дистанционного зондирования (на примере водохранилищ Суховской и Тельминской ГЭС) / Е.Н. Сутырина // Известия Иркутского Государственного университета. Серия «Науки о Земле». – 2010. – Том 3. – №2. – С. 167-178.
  11. Никитенков, А. Н. Картографические построения и оценка морфометрических параметров водосборов горно-складчатых территорий по данным спутниковой съемки (SRTM) (на примере cеверной части Кузнецкого Алатау) / А.Н. Никитенков, Е.М. Дутова, Д.С. Покровский // Вестник ТГАСУ. – № 1. – 2013. – С. 223-231.
  12. СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Часть III. Инженерно-гидрографические работы при инженерных изысканиях для строительства»: дата введения 2004-05-01 / Госстрой России. – М.: Производственный и научно-исследовательский институт по инженерным изысканиям в строительстве (ФГУП «ПНИИИС») Госстроя России, 2004 – 105 с.
  13. Павлова, А. И. Анализ методов интерполирования высот точек для создания цифровых моделей рельефа / А.И. Павлова // АВТОМЕТРИЯ. – 2017. – Т. 53. – № 2. – С. 86-94.
  14. Мусохранов В. Е. Основы рационального природопользования: лесное хозяйство, водное хозяйство, регулирование речного стока : учеб. пособие : в 3 ч. / В. Е. Мусохранов, Т. Н. Жачкина. – Барнаул : Изд-во АГАУ, 2007. – Ч. 3. – 255 с.

References

  1. Federal’naya celevaya programma «Razvitie melioracii zemel’ sel’skohozyajstvennogo naznacheniya Rossii na 2014 — 2020 gody» : Utv. Post. Pravitel’stva RF № 922 ot 12.10.2013 g.// Sistema GARANT : [sajt]. – 2022. – URL: https://base.garant.ru/57419166/(data obrashcheniya: 11.07.2022).
  2. Ol’garenko, G.V. Analiticheskie issledovaniya perspektiv razvitiya tekhniki orosheniya v Rossii: Informacionno-analiticheskoe izdanie /G.V. Ol’garenko, S.S. Turapin. – M: Kolomna: IP Lavrenov A.V., 2020. – 128 s. – ISBN 978-5-9908948-9-1.
  3. V tekushchem godu v Saratovskoj oblasti vvedeno 1 972,4 ga oroshaemyh zemel’ // GTRK Saratov : [sajt]. – 2021. – URL: https://gtrk-saratov.ru/v-tekushhem-godu-v-saratovskoj-oblasti-vvedeno-1-9724-ga-oroshaemyh-zemel/ (data obrashcheniya: 11.07.2022).
  4. Hutchinson, M. F. A new procedure for gridding elevation and stream line data with automatic removal of spurious pits / M. F. Hutchinson // Journal of Hydrology. – 1989. – Vol. 106, issue 3–4. – P. 211–232.
  5. Hutchinson, M. F. Recent Progress in the ANUDEM Elevation Gridding Procedure / M. F. Hutchinson, T. Xu, J. Stein // Geomorphometry. Redlands, 2011. – P. 19–22.
  6. Otkrytye dannye Federal’nogo agentstva vodnyh resursov // Rosvodresursy : [sajt]. – 2022. – URL: https://gis.favr.ru/opendata (data obrashcheniya: 15.07.2022).
  7. R 52.08.874-2018 Opredelenie gidrograficheskih harakteristik kartograficheskim sposobom: Rekomendacii: data vvedeniya 2019-01-01 / Rosgidromet. – Izd. oficial’noe. – Sankt-Peterburg, 2018. – 172 s.
  8. Karionov, YU. I. Ocenka tochnosti matricy SRTM / YU. I. Karionov // Geoprofi. – 2010. – № 1. – S. 48–51.
  9. Karwel, A. K. Estimation of the accuracy of the SRTM terrain model on the area of Poland / A. K. Karwel, I. Ewiak // The international archives of the photogrammetry, remote sensing and spatial information sciences, 2008. – Vol. XXXVII, part B7. – P. 169–172.
  10. Sutyrina, E. N. Opredelenie morfometricheskih harakteristik iskusstvennyh vodoemov po dannym distancionnogo zondirovaniya (na primere vodohranilishch Suhovskoj i Tel’minskoj GES) / E.N. Sutyrina // Izvestiya Irkutskogo Gosudarstvennogo universiteta. Seriya «Nauki o Zemle». – 2010. – Tom 3. – №2. – S. 167-178.
  11. Nikitenkov, A. N. Kartograficheskie postroeniya i ocenka morfometricheskih parametrov vodosborov gorno-skladchatyh territorij po dannym sputnikovoj s»emki (SRTM) (na primere cevernoj chasti Kuzneckogo Alatau) / A.N. Nikitenkov, E.M. Dutova, D.S. Pokrovskij // Vestnik TGASU. – № 1. – 2013. – S. 223-231.
  12. SP 11-104-97 «Inzhenerno-geodezicheskie izyskaniya dlya stroitel’stva. CHast’ III. Inzhenerno-gidrograficheskie raboty pri inzhenernyh izyskaniyah dlya stroitel’stva»: data vvedeniya 2004-05-01 / Gosstroj Rossii. – M.: Proizvodstvennyj i nauchno-issledovatel’skij institut po inzhenernym izyskaniyam v stroitel’stve (FGUP «PNIIIS») Gosstroya Rossii, 2004 – 105 s.
  13. Pavlova, A. I. Analiz metodov interpolirovaniya vysot tochek dlya sozdaniya cifrovyh modelej rel’efa / A.I. Pavlova // AVTOMETRIYA. – 2017. – T. 53. – № 2. – S. 86-94.
  14. Musohranov V. E. Osnovy racional’nogo prirodopol’zovaniya: lesnoe hozyajstvo, vodnoe hozyajstvo, regulirovanie rechnogo stoka : ucheb. posobie : v 3 ch. / V. E. Musohranov, T. N. ZHachkina. – Barnaul : Izd-vo AGAU, 2007. – CH. 3. – 255 s.

Для цитирования: Туктаров Р.Б., Акпасов А.П. Практические аспекты определения морфометрических характеристик малых водоемов при проектировании локальных участков орошения // Московский экономический журнал. 2022. № 7. URL: https://qje.su/nauki-o-zemle/moskovskij-ekonomicheskij-zhurnal-7-2022-2/

© Туктаров Р.Б., Акпасов А.П., 2022. Московский экономический журнал, 2022, № 7.