Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Моделирование качества поверхностных вод 15
1.1 Качество воды в водоемах и водотоках. Основная терминология 15
1.2 Обзор основных методов математического моделирования состояния водных объектов 21
1.3 Имитационная модель динамики качества поверхностных вод 27
1.4 Методы расчета разбавления сточных вод в реках 32
1.4.1 Экспресс метод ГГИ 33
1.4.2 Метод Таллинского политехнического института (ТПИ) 34
1.5 Модели формирования стока 35
1.5.1 Модель формирования стока равнинных рек (имитационная камерная модель) 35
1.5.2 Адвективно-диффузионная модель формирования стока 36
1.7 Пространственный анализ и геомоделирование в изучении поверхностных вод 44
1.7.1 Геоинформационные Системы. Основная терминология 44
1.7.2 Использование ГИС в задачах оценки качества водных ресурсов 48
1.8 Задачи работы 51
Выводы к главе 1 52
ГЛАВА 2 Интегрированная среда «модели качества поверхностных вод - геоинформационная система» 53
2.1 Принципы построения интегрированной среды 53
2.2 Основные принципы построения Банка моделей 59
2.3 Характеристика предметной области. Физико-географическая характеристика водных объектов бассейна Нижнего Дона 62
2.4 Решение стационарной задачи. Модели динамики качества воды для речной системы 64
2.4.1 Имитационная модель оценки качества поверхностных вод в речной системе 66
2.4.2 Балансовая модель распространения ЗВ 75
2.4.3 Модель качества водных ресурсов, основанная на уравнении турбулентной диффузии 76
2.5 Решение нестационарной задачи. Моделирование качества речных вод в условиях аварийных сбросов 78
2.5.1 Минимально обеспеченный уровень информации об аварийной ситуации 79
2.5.2 Достаточно полный уровень информации об аварийном сбросе сточных вод 80
2.6 Модель оценки качества поверхностных вод 81
Выводы к главе 2 82
ГЛАВА 3 Геоинформационная среда для оценки качества поверхностных вод в речной сети бассейна нижнего дона 83
3.1 Создание пространственной модели территории 84
3.1.1 Задача расстановки точечных источников на электронную карту 88
3.1.2 Использование функций гидрологического моделирования для построения границ водоразделов и дренажной сети 90
3.3 Пространственный анализ водопользователей 110
3.4 Пользовательский интерфейс и взаимодействие основных блоков системы 114
ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3 119
ГЛАВА 4 Интернет-ориентированная геоинформационная среда «водные ресурсы нижнего дона» 120
4.1 Геоинформационные технологии в Интернет 120
4.2 Интернет-версия системы 126
4.2.1 Методы построения Интернет-версии ГИС 126
4.2.2 Организация обработки и передачи геопространственных данных 131
4.2.3 Серверная часть 133
4.2.4 Клиентская часть 140
4.2.5 Последовательность сеанса пользователя 141
Выводы к главе 4 143
Заключение 144
Приложение а 146
Список используемых источников
- Имитационная модель динамики качества поверхностных вод
- Характеристика предметной области. Физико-географическая характеристика водных объектов бассейна Нижнего Дона
- Использование функций гидрологического моделирования для построения границ водоразделов и дренажной сети
- Организация обработки и передачи геопространственных данных
Введение к работе
Актуальность темы. Развитие водопользования со временем приводит к дефициту водных ресурсов, а также к загрязнению рек и водоемов. В этих условиях значительно усложняются задачи связанные с оценкой воздействий хозяйственной деятельности на водные экосистемы.
Системный подход к решению проблем природопользования предполагает комплексное изучение протекающих в ландшафтно-географической среде процессов. Решение данной задачи невозможно без привлечения методов прогнозирования, иными словами, без использования методов математического моделирования - одного из основных инструментов системного анализа.
К подобным исследованиям относится количественная оценка влияния параметров окружающей среды на состояние локальных и региональных водных экосистем и их составляющих, в частности, речных потоков. Реальная жизненная необходимость решения данной проблемы очевидна. Качество воды в реках, из которых происходит водозабор для нужд больших и малых городов, нуждается в постоянном контроле и прогнозировании. К сожалению, многие водоемы и особенно водотоки традиционно используются в качестве удобных и дешевых систем для удаления промышленных и бытовых отходов. По мере увеличения плотности населения и развития промышленности и сельского хозяйства антропогенная нагрузка на водоемы неуклонно растет.
Теоретические обоснование и практические подходы к решению задач управления качеством природных вод достаточно детально описаны в научной литературе. Математические модели позволяют спланировать стратегию управления качеством воды в источнике и оценить последствия ее реализации [94].
В последнее время в теории управления водными ресурсами появилось немало новых идей и результатов. Основные положения моделирования в
5 области водопользования в настоящее время составляют основу принятия решений. Его инструментарий включает в себя развитый математический аппарат и средства вычислительной техники. Отличительной чертой данного инструментария является переход к современным персональным компьютерам, совершенствование программного обеспечения, использование новейших информационных компьютерных технологий, таких как технологии геоинформационных систем (ГИС) и интернет-технологии. Все это позволяет утверждать о создании принципиально нового подхода при компьютерном моделировании в области водных проблем.
ГИС объединяют комплекс аппаратных устройств и программных продуктов, предназначенных для сбора, хранения, преобразования, отображения и распространения пространственно-координированной информации, пространственного моделирования природных и социально-экономических систем, и, наконец, для поддержки принятия решений и управления [21]. ГИС располагает значительным количеством приемов анализа пространственных объектов, с помощью которых исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной оценкой, изучают динамику и развитие явлений, выполняют прогнозные исследования. ГИС является мощным инструментальным средством решения задач связанных с пространственной протяженностью природных объектов. Одна из таких мощных возможностей ГИС связана с оценками гидрологических параметров на основе анализа карты рельефа и привязанной к ландшафту разнообразной растровой (карты типов почв, растительности, землепользования, урбанизированных территорий и др.) и векторной информации (дороги, каналы, реки, водохранилища, озера и др.). Другим инструментом ГИС является база геоданных (БГД), которая определяет обобщенную модель данных и привязку к карте информации о пространственно-распределенных элементах из объектно-ориентированных баз данных различного уровня.
Третий используемый инструмент ГИС - визуализация модельных расчетов на основе выбранных сценариев развития для представления материала в виде, удобном для анализа и принятия решений.
Стандартные геоинформационные системы являются, как правило, мгновенными снимками состояния определенной территории и не включают в явном виде параметр времени. Использование математических моделей динамики компонент природной среды открывает возможности преодоления этого недостатка традиционных ГИС. При этом весьма актуальной является проблема количественного оценивания тенденций долговременных изменений агрегированных параметров природно-ресурсного потенциала изучаемой территории и формализация процедур сравнения сценариев альтернативных стратегий природопользования. Модели и методы планирования водохозяйственных систем, ориентированные на распределение объемов потребления воды, а также описание процесса формирования стока и водообмена уже достаточно разработаны. Они включают в себя параметры, характеризующие процессы выноса примесей в водные объекты с поверхностным стоком городов, сельхозугодий и от локальных источников загрязнений из очистных сооружений, а также параметры, характеризующие процессы формирования качества вод - расход воды в водотоке, разбавление, распад и трансформация примесей [78,105].
Механизмы происходящих физико-химических процессов описываются так называемыми непрерывными или гидродинамическими моделями с сосредоточенными или распределенными параметрами. Модели с сосредоточенными параметрами могут быть детерминированными или стохастическими, с их помощью формируются долгосрочные ряды гидрологических и метеорологических условий, которые могут использоваться в качестве входных данных анализа выноса загрязняющих веществ (ЗВ). В моделях с распределенными параметрами водосбор делится на однородные участки с едиными характеристиками переменных состояния.
Именно эти модели больше подходят для ГИС и компьютерно-ориентированного моделирования. Одним из путей решения задач оценки состояния природной среды является выделение последовательных этапов и формирование соответствующих математических моделей [94].
Использование ГИС, как средства решения прикладных задач, основано, прежде всего, на новых возможностях проведения измерений по карте, которые дают ГИС-технологии. Метрологический подход к определению математической основы карт исходит из того, что измерения по карте должны дать информацию для решения тех задач, ради которых и создается тематическая карта. Например, для решения задачи оценки состояния вод нужно иметь разрешающую способность, достаточную не только для отображения всех контрольных створов и тех источников загрязнения, которые объясняют изменения качества воды от створа к створу, но и для определения параметров модели распространения загрязняющих веществ. Эта модель необходима для оценки и прогнозирования изменений качества воды на участке между створами. Возможности ГИС позволяют измерять по карте и вычислять по измерениям параметры, необходимые для расчетов по этой модели.
На основе современных информационных технологий, таких как ГИС и Интернет-технологии, появляется возможность обеспечить единое информационное пространство, введение и хранение цифровых карт местности, баз данных, представление экологической информации для оперативного решения задач управления.
Для того чтобы результаты математического моделирования стали элементом механизмов принятия решений, они должны легко передаваться в ГИС и, наоборот, необходимые данные из ГИС должны распознаваться и импортироваться моделирующей системой для использования в расчетах. Современные развитые средства программирования, основанные на объектно-ориентированном подходе и технологиях баз данных в сочетании с
8 графическими и интерактивными возможностями, позволяют добиться высокой эффективности вычислительного эксперимента. Основная идея представленной работы заключается в синтезе методов математического моделирования экологических систем и современных компьютерных геоинформационных технологий.
В результате соединения технологии моделирования с современными геоинформационными технологиями, цифровыми компьютерными трехмерными моделями местности, базами первичной информации о состоянии окружающей среды, а также с современными средствами доставки информации до ее конечного пользователя - интернет-технологиями, построена Интернет-ориентированная геоинформационная система, позволяющая производить интерактивные вычислительные эксперименты и быть основой для развертывания дистанционных образовательных программ. Результаты этой научной разработки полезны при сравнении сценариев планируемых региональных программ природопользования.
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка программного комплекса, опирающегося на использование современных информационных и компьютерных технологий для совершенствования инструментария оценки качества водных ресурсов региона (на примере поверхностных вод речного бассейна). Реализация поставленной цели предполагает решение следующих основных задач:
Разработать методику комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.
Определить структуру и критерии модельного наполнения Банка моделей.
Реализовать математические модели оценки качества поверхностных вод на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная модель).
Разработать компьютерную технологию совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.
Разработать и реализовать на примере конкретного региона (Бассейна реки Нижнего Дона) локальную геоинформационную среду «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей.
Разработать и реализовать веб-ориентированную версию ГИС «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей .
Объект исследования - мониторинг качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона, прогнозирование экологической ситуации бассейна реки в случае аварийных выбросов загрязнений.
Предмет исследования - применение методов математического моделирования и геоинформационных технологий для оценки качества поверхностных вод.
Материалы и методы исследования. Исследование основано на применении аппарата математического моделирования качества поверхностных вод, предусматривающего использование классических подходов (с использованием уравнения турбулентной диффузии, моделирования распространения примесей в потоке, статистических методов обработки информации, техники имитационного моделирования), и современного опыта создания и исследования моделей оценки качества поверхностных вод, а также принципов геомоделирования пространственно распределенных объектов.
В качестве фактического материала были использованы
опубликованные данные Госкомстат РФ, Госкомэкологии РФ,
Госкомгидромета РФ.
Научная новизна. Разработчики математических моделей зачастую не хотят отходить от традиционных методов математического моделирования пространственных объектов. С другой стороны, специалисты по ГИС
10 технологиям не имеют навыков математического моделирования поведения объектов. В работе осуществлено комплексное научно-обоснованное решение задачи оценки качества водных ресурсов бассейна реки на основе новейших информационных технологий с использованием ГИС, банка математических моделей, путем синтеза методов математического моделирования и дополнительных возможностей ГИС. Разработана интегрированная компьютерная информационно-аналитическая среда для совместной работы геоинформационной системы и банка математических моделей. Создана Интернет-ориентированная версия системы, позволяющая осуществлять оценку состояния ресурсов региона на основе новейших информационных технологий с использованием геоинформационной системы и банка математических моделей.
Практическая значимость. Результаты выполнения проекта в виде
математических моделей, вычислительных алгоритмов и компьютерных
программ могут быть использованы в Научно-образовательном Эколого-
аналитическом центре системных исследований математического
моделирования и геоэкологической безопасности Юга России, Департаменте государственного контроля и перспективного развития в сфере природопользования и охраны окружающей среды МПР России по Южному федеральному округу, Главном управлении природных ресурсов и охраны окружающей среды МПР России по Ростовской области (ГУПР по Ростовской области), Донском бассейновом водном управлении, Комитете по охране окружающей среды и природных ресурсов Администрации Ростовской области (Ростоблкомприрода), Южном филиале Института Водных проблем РАН.
Результаты работы имеют непосредственное практическое значение в учебном процессе, в рамках программ дистанционного образования, в практике традиционного учебного процесса. В ходе выполнения работы ее
результаты, в доступном для интерактивной работы с базами данных и математическими моделями виде, размещены в Интернет.
Предлагаемая система представляет интерес для пользователей, которым знакома возможность моделирования, но они не могут использовать модели, не имея специальных навыков. Делая модельный эксперимент более дружественным для пользователя через ГИС, тем самым предоставляется доступ к моделям большому кругу специалистов предметной области.
Результаты научных исследований по проекту отражены на Интернет-страницах сайта ГИС Центра РГУ, аккумулирующего научные и учебно-методические материалы в области геомоделирования, математического моделирования и компьютерных технологий, ориентированных на современную экологическую проблематику.
Достоверность научных положений и выводов, полученных в работе, является следствием использования классических математических методов построения моделей, их численного и аналитического анализа; использования реальных данных по динамике внешних факторов; согласования результатов аналитических исследований и численных экспериментов; согласования численных экспериментов с натурными данными и результатами, полученными другими авторами.
Апробация работы. Результаты, полученные в рамках диссертационной работы, докладывались и обсуждались на следующих научных семинарах и конференциях:
на XXVIII-XXXIII Всероссийских школах-семинарах «Математическое
моделирование в проблемах рационального природопользования»
(Дюрсо, 2000-2005);
на семинарах отдела математических методов в экологии и экономике
(Ростов-на-Дону, 2002-2006);
на Всероссийской школе по комплексным гидробиологическим базам
данных (Ростов-на-Дону,2005);
12 на научно-методической конференции «Современные информационные
технологии в образовании: Южный Федеральный округ» (Ростов-на-
Дону,2006)
Исследования, проводимые по теме диссертации, легли в основу научно-исследовательской работы, проводимой по гранту CRDF 2001-2005г., использованы в научно-исследовательской работе по программе фундаментальных исследований ОНЗ РАН «Развитие технологий мониторинга, экосистемное моделирование и прогнозирование при изучении природных ресурсов в условиях аридного климата».
Ключевые слова и словосочетания: математическое моделирование, компьютерные технологии, геоинформационная система, интернет-технологии.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе 16 в материалах школ и конференций, 2 статьи в центральной печати и одна глава коллективной монографии.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы 165 страниц, в том числе 12 таблиц и 33 рисунка, 12 страниц приложения. Список литературы содержит 105 наименований.
Краткое содержание работы.
Во введении обоснована актуальность темы исследования и практическая значимость, сформулированы цель и задачи работы, описана структура работы и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе изложены основные принципы математического моделирования качества водных ресурсов, дан обзор математических моделей, применимых для оценки качества поверхностных вод, обоснован выбор имитационных моделей. В результате анализа существующих методов и подходов предложена методика комплексного использования моделей
13 различного уровня сложности и детализации для изучения проблемы качества водных ресурсов региона. Определен состав банка математических моделей.
В главе подробно рассмотрены инструменты пространственного анализа и геомоделирования, определено их место в изучении поверхностных вод. Сделан обзор современных подходов к моделированию речных бассейнов на основе ГИС.
Во второй главе Определена компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных водных ресурсов региона в рамках единой геоинформационной системы. Обосновано преимущество использования методов геоинформационных технологий в задачах моделирования пространственных объектов. Определены основные критерии формирования банка моделей и состав входящих в него моделей.
Дана характеристика объекта исследования - поверхностных вод бассейна Нижнего Дона. Определен состав банка моделей для оценки качества поверхностных вод бассейна Нижнего Дона. Представлено решение стационарной и нестационарной задачи моделирования загрязнения поверхностных вод бассейна Нижнего Дона.
В третьей главе изложены основные принципы построения геионформационой системы «Водные ресурсы бассейна Нижнего Дона».
Изложены основные этапы построения базы данных и основных информационных потоков.
Изложена детализированная процедура подготовки первичной информации для математических моделей, методика создания пространственной модели территории и расстановки основных объектов на электронную карту местности.
Предложены методы визуализации результатов моделирования в рамках геоинформационной системы и средств анализа объекта исследования методами геоинформационной системы.
14 В четвертой главе дан обзор существующих картографических интернет-технологий. Реализована Интернет-версия геоинформационной системы. Представлены результаты экспериментальных исследований. Положения, выносимые на защиту:
Проведены исследования и разработана методика комплексного использования моделей различного уровня сложности и детализации для оценки качества водных ресурсов.
Разработана структура и определен состав Банка моделей на основе известных математических моделей (стационарная и нестационарная задача).
Разработана компьютерная технология совместной работы банка математических моделей и базы данных о состоянии водных ресурсов в рамках единой геоинформационной системы.
Разработана и реализована, на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона, интегрированная среда «Водные ресурсы» с использованием Банка математических моделей и ГИС.
Разработана и реализована, на примере конкретного региона - бассейна Нижнего Дона, интернет-ориентированная ГИС «Водные ресурсы».
Имитационная модель динамики качества поверхностных вод
Рассмотрим модель динамики качества поверхностных вод, предложенную авторами Горстко А.Б. и др. в имитационной системе "Водные ресурсы Азовского бассейна" (ДИССАБ) [65,96]. Основной целью разработчиков модели было создание методики прогнозирования качества вод в системе водотоков региона, учитывающей различные варианты поступления дополнительной воды.
По условиям формирования гидрологического режима рек и по водохозяйственному назначению в регионе выделено несколько типов и подтипов камер: бассейны рек, дельтовые зоны рек Дона и Кубани, крупные оросительные системы, крупные водохранилища, города с населением более 300 тысяч человек.
Совокупность камер речной сети образует ориентированный граф, ориентация ветвей которого определяется направлением течения. Интенсивность водообмена между камерами описывается матрицей перетоков = б/И недиагональный элемент которой представляет расход воды изу -той камеры в к-ю камеру, а диагональный - водозапасу -той камеры 0 ,к=1,...п),гдрп-число камер.
Расчет величин перетоков производится по модели водного баланса. В модели принято следующее допущение - вся стокообразующая часть поступившей на водосбор воды проходит через замыкающий створ в поверхностные воды низлежащей камеры.
Качество поверхностных вод в камере характеризуется в ДИССАБ тремя индексами [84] общесанитарным Jh органолептическим J2 и санитарно-токсическим J3. Вектор (JuJbh) называют вектором индексов качества воды.
Индексы J], J2,3} дискретны и принимают значения от 1 до 5. По этой шкале: 5 — очень чистая вода; 4 — чистая вода; 3 — умеренно загрязненная вода, 2 — загрязненная вода, 1 — грязная вода. Интегральный скалярный показатель качества воды J равен меньшему из показателей J{ (і = 1, 2,.3): J=min(J], J2J3)
Для вычислений значений индексов Jlt J2,Ji из множества показателей речной воды были выделены семь общесанитарных, наиболее существенных для хозяйственно-питьевого, культурно-бытового и промышленного водопользования, и одиннадцать наиболее вредных примесей, загрязняющих водоемы и оказывающих сильное влияние на жизнедеятельность гидробионтов.
Эти восемнадцать показателей достаточно характеризуют качество поверхностных вод. При моделировании считалось, что каждый показатель влияет лишь на один из индексов Jj, J2J3, (таблица 4). Каждый из показателей 1-18 является непрерывной величиной, значения которой меняются в зависимости от концентрации соответствующего вещества (группы веществ) в воде [61, 64].
Индексы JrJ3 получаются округлением линейной комбинации показателей, влияющих на них. Коэффициенты при значениях показателей (веса показателей) получают экспертной оценкой.
Для показателей построены зависимости значений от соответствующих концентраций. Эти зависимости строились на основании экспертных оценок по аналогии с [84], с использованием величин ПДК и учетом максимальных концентраций веществ, которые наблюдаются в природных водах региона [74].
При вычислении концентраций загрязняющих веществ (ЗВ) в поверхностных водах рассматривалась обобщенная камера, включающая в себя в качестве основы камеры описанных типов. Обобщение камер позволяет моделировать поступление загрязнителей, их биохимическое разложение и механический перенос с водами в рамках одной модели. Таким образом, рассматривается объединенная камера, в которой есть русловые потоки, богарные земли, орошаемые земли и промышленность.
Предполагается, что концентрация загрязняющего вещества в поверхностных водах обобщенной камеры определяется следующими процессами: 1. Поступление загрязнителей с водой из вышележащих камер. 2. Поступление загрязнителей со стоком с богарных земель, со стоком с орошаемых земель, с промышленным стоком. 3. Перенос загрязняющих веществ через замыкающий створ в нижележащую камеру. 4. Химический распад и биохимическое разложение в воде. 5. Захоронение загрязняющих веществ в донных отложениях. 6. Осаждение загрязнителя и вторичное загрязнение.
Процессы 1-3 протекают аналогично для всех рассматриваемых загрязняющих веществ, по отношению к процессу (4) все вещества разделяются на два класса — консервативные, которые не подвержены распаду и разложению, и неконсервативные. Консервативные загрязняющие вещества разделяются в свою очередь на два класса в зависимости от того, образуют ли они захоронения в донных отложениях непосредственно возле источников или нет (процесс 6). Для неконсервативных веществ также произведено разграничение, исходя из отношения к процессу 6, на те, для которых существенны процессы поглощения донными отложениями, и на те, для которых эти процессы можно не учитывать.
Разделение загрязняющих веществ на классы в соответствии со свойствами, учитываемыми при моделировании, отражено в таблице 4. В основу модели положены уравнения баланса загрязняющих веществ и упрощающее допущение о полном перемешивании поверхностных вод в объединенной камере.
Характеристика предметной области. Физико-географическая характеристика водных объектов бассейна Нижнего Дона
На территории Ростовской области главным водным объектом является река Дон - одна из крупнейших рек России. Длина реки составляет 1870 км, площадь водосбора - 442 тыс.км . Поверхность бассейна реки интенсивно используется сельским хозяйством и различными отраслями промышленности.
Большая часть бассейна реки Дон расположена в степной и лесостепной зонах, характеризующихся засушливым климатом. Годовой слой осадков в бассейне реки Дон составляет 500-700 мм, а слой испарения 800-1000мм. Ресурсы поверхностных вод области пополняются только во время весеннего половодья и дождевых паводков. На гидрологический режим реки Дон, его притоков и рек, впадающих в Азовское море негативное влияние оказывает наличие прудов, являющиеся естественными испарителями воды [86,96]. В области представлены все виды водопользования: коммунальное, промышленное, сельское хозяйство, водный транспорт, рыбное хозяйство, энергетика и рекреация.
Основным источником водоснабжения в Ростовской области являются поверхностные воды рек бассейна Дон и сама река Дон (в том числе реки Северский Донец, Кундрючья, Маныч). В нижнем течении Дона расположены крупные водозаборы для водоснабжения городов с развитой промышленностью и теплоэнергетикой. Качество воды поверхностных и подземных источников, используемых для питьевого водоснабжения, не соответствует нормативам стандарта на питьевую воду. Вода Нижнего Дона и ряда притоков, на большинстве контролируемых участков, по ряду показателей качества не отвечает требованиям, предъявленным к водным объектам рыбохозяйственного значения. Напряженная экологическая обстановка в нижнем течении Дона является следствием критического уровня безвозвратного водопотребления и техногенного загрязнения поверхностных вод бассейна. Складывающаяся реальная угроза деградации водных экосистем свидетельствует о необходимости принятия решений и осуществления ряда водоохранных мер, поиска и разработки новых научно-обоснованных подходов к управлению водными ресурсами [91].
Таким образом, качество воды стало критической проблемой водопользования. Вместе с тем, нельзя закрыть предприятия, можно лишь вводить ограничения на сброс загрязняющих веществ. Поэтому использование современных информационных технологий, в сочетании с математическим моделированием, для оценки и управления качеством поверхностных вод региона представляется наиболее актуальным. 2.4 Решение стационарной задачи. Модели динамики качества воды для речной системы
Как видно из вышеизложенного, модели различаются между собой, в основном, способом расчета концентрации на исследуемом участке, схема же расчетного графа остается неизменной. Это ориентированный граф, ориентация ветвей которого определяется направлением течения. Все модели расчета концентрации ЗВ, включенные в Банк Моделей, опираются на единую организацию построения графа расчетной сети, единую информационную базу и общую схему функционирования моделей (рис.6).
Необходимые для расчета основные характеристики реки, - данные о начальном загрязнении, о поступлении загрязнения извне, взяты из информационной базы ГИС. Данные о морфометрических характеристиках, необходимые для расчета времени добегания, рассчитаны исходя из пространственных характеристик водотоков, как объектов ГИС. Для расчета был задан ориентированный по течению граф G=(X,Y)c множеством вершин хєХ и дуг yeY . Основа графа сеть естественных водотоков (речной системы). Узлы графа - створы реки, в которых заданы характеристики реки и рассчитывается поступление загрязнения в реку. Граф был построен по следующим правилам. Весь русловой поток является комбинацией элементарных отрезков произвольной длины, ограниченных створами. Элементарным отрезком считается прямой отрезок русла реки от поворота до поворота.
Использование функций гидрологического моделирования для построения границ водоразделов и дренажной сети
Для исследования антропогенной нагрузки на водные объекты бассейна реки вся территория бассейна Нижнего Дона области разбита на так называемые элементарные водосборы, выбор которых является неформальной процедурой, учитывающей размеры водосбора, степень обеспеченности информацией, совпадение водоразделов с административными границами.
Дэвид Мэйдмент определяет гидрологическое моделирование как: "математическое представление потока воды и ее компонентов на некоторой части поверхности земли или подпочвенной среды [25,36].
Существуют четыре категории пространственных компонентов, используемых в гидрологическом моделировании: водоразделы; каналы и потоковые каналы; водоносные горизонты; озера и устья;
Все пространственные компоненты в гидрологии управляются основными физическими законами, моделирование которых хорошо изучено, это - уравнение непрерывности, закон сохранения импульса, закон сохранения энергии [73].
Географическая информационная система может существенно помочь в вопросах трехмерного моделирования, потому что опирается на обработку пространственных измерений.
Существуют несколько уровней гидрологического моделирования связанных с географической информационной системой [73]:
Отображение в географической информационной системе гидрологических факторов, которые касаются некоторого местоположения, обычно чтобы оценить риск, например, потенциал загрязнения подземных вод. Гидрологическое определение параметров. Это - самая активная область в географической информационной системе, связанной с гидрологией. Цель состоит в том, чтобы определить параметры, необходимые для гидрологического моделирования на основе анализа ландшафта и особенностей покрытия земли. Эти параметры обычно извлекаются из растровых систем географической информационной системы (длина канала, поверхностный наклон, землепользование, свойства почвы). Для этого вида моделирования ландшафт представлен Grid или Tin моделями для автоматизации процесса с помощью специальных функций.
Гидрологическое моделирование можно проводить непосредственно в ГИС, если не рассматривать фактор времени, например, при использовании средних ежегодных значений [37].
Гидрологические модели связаны с географической информационной системой, для вычисления потока и показа результата моделирования.
Объектно-ориентированное соединение. Семантическое моделирование идет вне табличного моделирования. Это требуется для сохранения функциональных взаимосвязей расположенных на карте [75].
Задача разбиения территории бассейна Нижнего Дона на элементарные водосборы решена при помощи методов гидрологического моделирования, как функции ГИС.
Определение границ и описание дренажной сети достаточно неформальная процедура, для ее выполнения традиционно работают с растровым представлением карты выбранной области, используя топографическую карту для нанесения на ней линий водоразделов основных рек на основе данных о рельефе исследуемого региона. При использовании методов ГИС- технологии эта процедура автоматизируется [44,48,59].
Следующий этап работы - построение послойной векторной модели водосбора на основе векторной информации о рельефе. В изучении поверхностных вод большая роль принадлежит математической модели местности - цифровому представлению пространственных объектов, соответствующих объектовому составу топографической карты.
Рельеф земной поверхности в цифровой модели отображен в виде трехмерных данных как совокупности высотных отметок и записей горизонталей.
При помощи функциональных модулей ГИС цифровая модель рельефа была обработана для получения ряда производных данных, включая вычисление углов наклона и экспозиции склонов, профилей поперечного сечения, генерацию линий водоразделов [8,39,60,71].
Рассмотрим основные этапы формирования линии водоразделов.
Форма поверхности определяет, каким образом водоток будет распределен по поверхности. На первом этапе была построена цифровая модель рельефа (ЦМР). Основа ЦМР - объекты цифровой топографической основы, такие как горизонтали рельефа, абсолютные отметки поверхности современного рельефа.
Организация обработки и передачи геопространственных данных
Сложность и комплексность системы во многом определяется данными, с которыми она работает, а также теми задачами, которые необходимо решить, чтобы преобразовать входные данные в иной, необходимый пользователю формат.
Исходным для ГИС «Водные ресурсы Нижнего Дона» является набор векторных и ассоциированных с ними атрибутивных данных, а конечное представление должно отвечать потребности пользователя в получении твердой копии документа.
При реализации этой технологической цепочки в Интернет возможности представления выходной информации ограничены использованием языка разметки гипертекстовых документов HTML, используемым в настоящее время для описания страниц WWW. Язык HTML предоставляет ограниченный набор элементов для размещения данных на странице. В рамках этого набора векторные данные представлены двумя способами: 1. Растрирование и преобразование вектора в изображение на сервере.
Этот способ наиболее прост в реализации и позволяет клиенту увидеть данные на странице в виде картинки (image) или элемента формы ввода типа изображение (input image).
Пересылка клиенту векторной информации как таковой.
В этом случае на клиентском месте должно быть установлено специальное программное обеспечение (представленное в виде модулей расширения "plug-in" - ActiveCGM), которое позволяет отображать данные векторного формата.
Безусловным преимуществом первого из них является то, что он позволяет клиенту обойтись без процедуры установки дополнительных модулей визуализации данных специфического векторного формата. Во втором случае размеры векторных файлов существенно меньше размеров растрированных изображений, покрывающих ту же самую территорию. Кроме того, географические объекты в векторном формате ассоциированы с атрибутивной информацией.
Локальная версия интегрированной среды анализа качества поверхностных вод выполнена на программном обеспечении ArcGis фирмы ESRI. Для переноса информации между системами использован подход, предлагаемый компанией Intergraph, в рамках своей новой технологии Jupiter предлагающая специальные сервера данных (Data Servers), позволяющие объединить в одном проекте данные из различных источников.
Сам геоинформационный сервер, при получении запроса на отображение конкретной области интереса пользователя, производит операцию выбора векторной геопространственной информации. Осуществление подобной операции основывается на взаимодействии Интернет-сервера со специальным программным обеспечением, отвечающим за предоставление определенного участка данных по заданным параметрам запроса. Это программное обеспечение функционирует как на локальном, так и на удаленном, по отношению к серверному, компьютере. Функционально оно построено на основе элементов управления ActiveX среды Microsoft Windows. ActiveX элементы интегрированы в операционную систему и предоставляют программный интерфейс в виде определенного набора методов для организации повторного использования программного кода. Управление выборкой данных осуществляется с помощью языка скриптов (VBScript).
На сервер ложится основная нагрузка по реализации функциональных возможностей геоинформационной подсистемы в Интернет. Наиболее ресурсоемкие операции по растрированию изображений и анализу геопространственной базы данных выполняются на серверной стороне.
При росте количества одновременно обращающихся к серверу клиентов потребности в быстроте обработки запросов накладывают дополнительные требования к вычислительной мощности персонального компьютера. Как показывает опыт эксплуатации, основная потребность для достижения незамедлительной реакции на запрос пользователя - это наличие достаточного количества виртуальной памяти и носителей информации с малым временем доступа. Мощность современных центральных процессоров и организация операционных систем на базе многозадачного ядра позволяют каждый запрос пользователя оформлять как отдельную задачу.
