геоинформационные системы в изучении гидрологического

ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ИЗУЧЕНИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО
РЕЖИМА СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
Яицкая Наталья Александровна (Ростов-на-Дону, Южный научный центр РАН)
В лаборатории математического моделирования и ГИС-технологий Южного
научного центра РАН создана геоинформационная система «Северный Каспий». Система
включает в себя базу океанографических данных, картографическую составляющую
(разработанную на базе программного продукта ArcGIS 9.3) и комплекс математических
балансовых моделей. Данный инструментарий направлен на исследование изменений
гидрологического режима северной части Каспийского моря и предотвращение последствий
хозяйственного освоения шельфовой зоны.
Среди крупнейших социально-экономических проблем человечества, связанных с
использованием природных ресурсов, особенно сложной в отношении принятия
практических решений в минувшем столетии оказалась проблема Каспийского моря.
Сегодня она предстает как межгосударственная, не получившая пока научного, правового,
юридического и организационного решений. Возникает необходимость в исследованиях,
раскрывающих влияние климатических факторов и хозяйственной деятельности на
экосистему моря. С развитием информационных технологий такие исследования получили
дополнительные возможности. В связи с этим было принято решение о формировании
геоинформационной системы (ГИС) «Северный Каспий», направленной на информационное
обеспечение исследований по оценке воздействия хозяйственного комплекса на морскую
экосистему в условиях изменения уровня моря.
Структура ГИС «Северный Каспий» основана на использовании персональных баз
географических данных для хранения информации в виде совокупности связанных таблиц
формата MS Access. Система состоит из следующих компонентов: база данных первичной
океанологической информации; геоинформационная система; комплекс математических
балансовых моделей.
База данных «Северный Каспий». Основными объектами структуры БД являются:
океанографические рейсы, станции, гидрометеорологические и гидрохимические измерения,
характеристики бентоса, планктона.
В базу данных включена информация из следующих источников: экспедиции Южного
Научного Центра РАН, мониторинг НК «Лукойл», материалы Каспийского Морского
Научно-исследовательского Центра и данные из литературных источников. Имеются
сведения по гидрохимии, гидрологии и биологии, охватывающие временной период с 1914 г.
Все перечисленные параметры распределены по горизонтам в соответствии с
произведенными измерениями. Горизонты стандартные: поверхность, 5 м, 10 м, 15 м и т.д.
На небольших глубинах, как правило, имеются измерения на двух горизонтах: поверхность и
дно.
В пространственном отношении станции покрывают практически всю акваторию
Северного Каспия. Есть данные об измерениях на вековых разрезах. База данных постоянно
пополняется.
Описание информации, накопленной в ГИС «Северный Каспий».
Геоинформационная система «Северный Каспий» включает батиметрические карты
масштаба 1:200 000 и 1:100 000, охватывающие поверхность Каспийского моря на западном
побережье – от Брянской косы до Кур-Косы; на северном и восточном побережье – от дельты
Волги до мыса Куули; навигационные карты масштаба 1:200 000, 1:100 000, 1:50 000,
изданные впервые в 70-х гг. и переизданные в 2003-2004 гг. Всего более 70 карт (рисунок 1).
Рисунок 1 – Привязанные и оцифрованные навигационные и батиметрические карты
На основе оцифрованных карт глубин построена цифровая модель рельефа дна
Каспийского моря (рисунок 2).
Рисунок 2 – Цифровая модель рельефа дна Каспийского моря
При оцифровке информация приводится к одному из нижеприведённых видов:
•
класс точечных пространственных объектов;
•
класс линейных пространственных объектов;
•
класс полигональных пространственных объектов;
•
грид - модель (геополе);
•
таблица.
В геоинформационной системе «Северный Каспий» собраны данные из
многочисленных литературных источников. Это информация о динамике береговой линии
моря в течение XX века (рисунок 3), карты распределения гидрологических параметров –
температуры воды, солености, прозрачности, положении кромки льда, данные
метеорологических съемок – температура воздуха, количество осадков, величины испарения,
поля ветра и атмосферного давления, облачности, величины солнечной радиации. Знание о
пространственном распределении этих компонентов позволяет давать интегральную
характеристику природной среды водоема. И осуществлять основное требование
гидрологических исследований о комплексности подхода.
Рисунок 3 – Положения береговой линии Северного Каспия для периодов: I – 190025 гг., II – 1940-48 гг., III – 1951-65 гг., IV – 1968-78 гг., V – 1987-99 гг.
Результаты математического моделирования гидрологического режима
Северного Каспия в ГИС. С помощью математической балансовой модели [1] и
имеющегося инструментария, в лаборатории математического моделирования и ГИСтехнологий Южного научного центра РАН проведены вычислительные эксперименты
режима солености и температуры воды Северного Каспия при вариациях климатических
факторов и антропогенной нагрузки для выделенных периодов [2] (рисунок 3).
Данный опыт был направлен на восстановление рядов данных и проверку гипотез
относительно причин, влияющих на колебания уровенного режима моря. Имеется два ряда
мнений на существующую проблему. Первое: причина колебаний уровня моря кроется в
усилении антропогенного воздействия - массовое строительство гидротехнических
сооружений на реках бассейна Каспийского моря в середине века и увеличение водозабора
на хозяйственные нужды. Второе: изменения климата приводят к существенным
флуктуациям уровня. Данную гипотезу связывают с глобальными перестройками в
атмосфере, и, поскольку Каспийское море относится к замкнутым водоемам, то оно крайне
«чувствительно» к такого рода процессам.
В результате проведенных экспериментов установлено, что к 1977 г. вследствие
резкого падения уровня и значительного обмеления акватории, произошло изменение в
режиме водо- и солеобмена между западной и восточной частями Северного Каспия. Что
привело к осолонению восточной части акватории. Также можно сделать вывод о том, что в
современный период, произошло увеличение водообмена Северного Каспия со Средним по
сравнению с периодом конца 60-х годов прошлого века. Подъем уровня моря на 2 м по
сравнению с периодом минимального его стояния привел к восстановлению наблюдавшихся
ранее схем переноса водных масс и в настоящее время среднекаспийские воды не достигают
севера Кулалинского порога.
Пример пространственного распределения солености и температуры в современный
период представлен на рисунке 4.
Рисунок 4 – Расчетный гидрологический режим Каспийского моря (зима,1999 г.)
Заключение. Разработанный инструментарий позволяет в едином пространственном
масштабе сравнивать между собой картографические материалы и данные наблюдений,
полученные в разные временные периоды, проводить наиболее точный и комплексный
анализ изменений в экосистеме и гидрологическом режиме водоема и выявлять сами
причины, вызывающие такие изменения. Помимо этого, ГИС «Северный Каспий» включает
набор инструментов, позволяющий проводить оценку и прогнозирование возможных
изменений в экосистеме Северного Каспия при хозяйственном освоении шельфа и береговой
зоны.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бердников С.В. Разработка и применение компартментальных моделей для
изучения пространственных характеристик морских экологических систем: Дисс. …д-ра
геогр. наук. Мурманск, 2004. 335 с.
2. Яицкая Н.А. Расчет гидрологического режима Северного Каспия при помощи
мультикомпартментальной математической модели // Экология. Экономика. Информатика.
XXXVI школа-семинар «Математическое моделирование в проблемах рационального
природопользования» (8-14 сентября 2008 г.). Ростов-на-Дону: Изд-во ЦВВР, 2008. С. 87-88.