Затопление территорий в период паводков на реках представляет собой серьезную природную ЧС и, очевидно, многим пользователям ArcGIS, напрямую или косвенно связанных с этой задачей, хотелось бы иметь возможность решить ее непосредственно в ГИС. В этом посте будет рассмотрены известные подходы, программные продукты и рекомендации по выбору.
Весь процесс анализа упрощенно можно разбить на три этапа:
- Подготовка данных
- Моделирование затопления
- Оценка последствий
Если с первым и третьим этапом в ArcGIS нет никаких проблем, функциональных возможностей для этого более чем достаточно, непосредственно моделирование затопления территорий вызывает определенные сложности. Сразу хочется отметить, что для рек простое пересечение «зеркала» водной поверхности и рельефа не решает этот вопрос, поскольку любая река имеет неравномерный гидравлический уклон и, соответственно, «зеркало» тоже должно быть в каком-то виде наклонным. Поэтому стандартным инструментарием ArcGIS решить эту задачу достаточно трудно, необходимо использовать дополнительные модули или обращаться к другим программам. Но, прежде, чем рассматривать конкретные программные продукты, давайте разберем немного теории.
Существует два подхода к моделированию затопления: геометрический и гидродинамический. При геометрическом подходе определяются границы водной поверхности путем сопоставления наклонного уровня воды (уровень реки + уровень подъема воды) и высоты рельефа. Затем по определенным правилам из границ формируются полигоны зон затопления, определяются глубины затопления. Это довольно статичная картина происходящего, поскольку в ней не учитывается предыдущее состояние поверхности суши. Кроме того, в ней нельзя оценить скорость и направления течений. Эти вопросы решает гидродинамический подход, в котором с использованием системы дифференциальных уравнений, известных как уравнения мелкой воды, определяются потоки движения жидкости в динамике пространства и времени. Безусловно, гидродинамический подход обеспечивает более точное решение. Но для ввода исходных данных необходимо проводить гидрологические изыскания, чтобы получить информацию о характеристиках поверхности, гидрологических зависимостях и др. Да и сами вычисления требуют значительно больше ресурсов.
В рамках обоих подходов существует большое количество моделей (методик) расчета. Для геометрического подхода популярны модели расчета с использованием створов (поперечных профилей) рек или создание единого трехмерного наклонного «зеркала» с последующим сравнением с рельефом. В гидродинамике различают одномерные, двумерные, трехмерные и комбинированные модели. Здесь стоит отметить, что, во-первых, для оценки затопления территорий достаточно одномерных или двумерных или их комбинации, во-вторых, разница между одно и двумерными моделями довольно значительная. Одномерная модель строится на базе створов и осредняется по ширине и глубине вдоль реки. Двумерная модель строится на базе цифровой модели рельефа (в гидродинамике чаще используется термин «поле точек») и осредняется по глубине. Проще говоря, с помощью одномерной модели можно получить зоны затопления, глубину затопления и скорость течений, но нельзя определить направления течений.
Такой интересный видеоролик течений можно создать в гидрологическом пакете Aquaveo SMSС точки зрения программной реализации характерна следующая ситуация. Реализация геометрических моделей в ГИС не представляет больших сложностей, поэтому существуют отдельные разработки, которые интегрированы в ArcGIS в виде модулей расширения, надстроек или инструментов геообработки. Гидродинамические модели чаще всего реализуется в виде набора библиотек, консольных приложений, где в качестве входных и выходных данных используются файлы в специализированных форматах. Во многом это связано с эффективность расчетов, когда, например, модель рельефа лучше представить в виде ненормированной сетки. Чтобы подготовить или просмотреть эти файлы, необходимо воспользоваться программами (часто их называют гидрологические пакеты), которые адаптированы на ввод гидрологических данных. В этих программах встроена своя геоинформационная подсистема, а также предусмотрены средства импорта/экспорта в картографические форматы.
Что ж, давайте ближе к делу, как же все-таки пользователям ArcGIS получить зоны затопления? Начнем с гидрологических пакетов. Оговорюсь, что это не полный обзор доступных программным продуктов, поскольку не все модули и программы доступны. Но из рассмотренных мною решений я бы отметил следующие: - HEC-RAS. Бесплатная разработка инженерного гидрологического центра в Институте водных ресурсов США. Для ArcGIS Desktop (8.3 – 10.1) существует надстройка HEC-GeoRAS, позволяющая в ArcMap создавать набор связанных между собой обязательных и опционных картографических слоев, таблиц заданной структуры. Слои хранятся в персональной базе геоданных. С помощью надстройки их можно экспортировать в формат, понятный для HEC-RAS, а по окончанию расчетов «вернуть» результаты в базу геоданных. HEC-RAS имеет в своем составе собственную реализацию одномерной гидродинамической модели. В данный момент доступна бета-версия, в которой реализована двумерная модель и комбинированная одно-двумерная модель. И хотя «двумерные» результаты сохраняются в формате HDF5, но без поддержки растровой модели данных. Так что приходится конвертировать поднаборы HDF в текстовый файл, чтобы отобразить результаты в ArcGIS.
- MIKE Zero. Коммерческое решение от датской компании DHI, которое включает в себя несколько подсистем, в том числе, MIKE 11, MIKE 21, MIKE FLOOD для одномерного, двумерного и комбинированного моделирования. В комплекте MIKE by DHI 2012 имеется модуль расширения MIKE 11 GIS для ArcMap (10.1), который также выступает в качестве пред- и постобработки данных по затоплению для одномерной модели. К сожалению, в комплекте MIKE by DHI 2014 он уже не поддерживается. Так что во всех остальных случаях приходится сохранять результаты в текстовый файл с координатами. Это можно сделать с помощью специальных утилит, поставляемых DHI.
- SMS. Коммерческий продукт американской инжиниринговой компании Aquaveo. Вбирает в себя множество известных гидродинамических моделей (ADH, SRH, TUFLOW, HYDRO AS-2D, RiverFLO-2D, RMA2, RMA4, FESWMS), выступая в роли некой среды пред- и постобработки данных. Может напрямую читать shape-файлы и растровые слои в популярных форматах, файлы AutoCAD, а результаты экспортируются в форматы AutoCAD. Еще лучше использовать специальную утилиту для экспорта, которая в режиме командной строки позволяет конвертировать результаты расчетов в shape файлы и растер ASCII.
- XPSWMM. Британская разработка от компании XP Solutions. Имеет в своем составе несколько одномерных и пару двумерных моделей. С точки зрения ГИС специалиста XPSWMM проще всего для понимания, поскольку по концепции подготовки и управления данными созвучна с принципами работы в ArcGIS. Отсюда и вопросы обмена данными с ГИС решаются проще всего – прямой импорт shape файлов и экспорт shape файлов, AutoCAD файлов, растров в формате ASCII, GRID.
- ISIS. Еще одна американская разработка от компании CH2M HILL, включающая в себя собственные реализации одномерной и двумерной модели и поддержку двумерной модели TUFLOW. Геоинформационная подсистема имеет дружелюбный ленточный интерфейс с поддержкой импорта shape файлов, растровых изображений, ASCII файлов, dxf файлов. Экспортировать можно в kml, mif/mid файлы и геоизображения.
Рабочий процесс моделирования с использованием модуля HEC-GeoRAS
в качестве пред- пост-обработки данных и приложения HEC-RAS для расчетаУчитывая компонентность решений, стоимость варьируется в зависимости от выбора моделей или подсистем. В среднем рабочий комплект сопоставим со стоимостью ArcGIS for Desktop Standard или Advanced. Описанные выше решения не имеют локализации на русский язык. Разумеется, есть и отечественные решения по гидродинамике. Наиболее известными являются программные комплексы «Hancock» ВНИИГ Веденеева, «River» (разработчики – В. В. Беликов, А. Н. Милитеев), но они не представлены для свободного ознакомления.
Решения с использованием геометрического подхода чаще всего разрабатываются именно в России, учитывая огромные территории и отсутствие подробных и непрерывных гидрологических изысканий. Пожалуй, во всех университетах, связанных с ГИС технологиями, имеются разработки по этой теме, защищаемые в рамках дипломных работ или кандидатских диссертаций. Среди наиболее известных я бы отметил проекты УГАТУ (Уфа), ЮНИИ ИТ (Ханты-Мансийск). Наша компания «ИНТРО-ГИС» также ведет подобные разработки и имеет готовый модуль расширения «Гидро ЧС» для ArcGIS Desktop, Server, в котором реализовано несколько моделей затопления при подъеме уровня воды и прорыве гидротехнических сооружений.
Расчет зон затопления для нескольких рек, уровней подъема воды
с помощью модуля «Гидро ЧС»Для любой модели важна достоверность. Основной вывод, который можно сделать при сравнении результатов моделирования при использовании геометрического и гидродинамического подходов с фактическими данными такой. Если вам предстоит провести расчеты на большом числе участков рек с достаточно высокими уровнями затопления (10% обеспеченность и ниже), рекомендую использовать геометрический подход. Это экономичнее в плане стоимости решения, времени расчета и удобнее. Если анализ проводится для одного или нескольких участков рек, для которых есть данные гидрологических изысканий, важна достоверность даже при небольшом подъеме уровня воды или интересует распределение течений, используйте гидрологический пакет.
