Применение радарной топографической съемки SRTM для моделирования речного стока на основе программного комплекса Ecomag

Последние десятилетие характеризуется развитием нового типа информационного обеспечения в гидрологических моделях - интегрированных информационно-моделирующих систем (ИИМС). Они включают в себя: пространственно распределенные модели геосистем и их программное обеспечение; базы данных и системы управления ими; географические информационные системы.
В Государственном институте прикладной экологии Ю.Г.Мотовиловым был разработан информационно-моделирующий комплекс (ИМК) ECOMAG. Он предназначен для расчетов пространственно-временной динамики водности и загрязненности территории на различных уровнях (растительность, снежный покров, земная поверхность, зона аэрации почвогрунтов, грунтовые воды, речной сток), с учетом особенностей топографии, гидрографической сети, пространственного размещения типов почв, растительности, источников загрязнений и гидрометеорологической обстановки.

В данном исследовании ставится задача оценки эффективности моделирования стока с водосборов различной площади (от 100 000 до 300 км²) при использовании ИМК Ecomag на примере бассейнов рек Оки и Москвы.

Характер речного стока зависит главным образом от климатических условий, определяющих режим температуры воздуха, осадков и испарения. Существенное влияние на сток оказывают факторы подстилающей поверхности и в первую очередь рельеф. Основой всех расчетов в рамках ИМК Ecomag является цифровая модель рельефа. Для моделирования процессов гидрологического цикла и стекания воды по склонам водосбора и в русловой сети, необходимо провести модельную схематизацию речного бассейна и речной сети, информация о древообразной структуре которых закладывается в модель.

ЦМР строится по данным радарной топографической съемки (shuttle radar topographic mission) большей части территории земного шара, за исключением самых северных (>60), самых южных широт (>54). С помощью метода, называемого радарной интерферометрией (radar interferometry), двумя радиолокационными сенсорами SIR-C и X-SAR было собранно огромное количество информации о рельефе Земли. Данные представлены в виде архивов для областей размером 1°х1°, где каждой ячейке размером 90х90м присвоено значение высоты.

По данным съемки в программном комплексе ArcView подготавливается единый грид рельефа с огрубленным разрешением 2х2 км для бассейна реки Оки. Огрубление ЦМР технически необходимо для моделирования стока с больших по площади водосборов (более 50 000 км²). Для перехода к расчетам стока воды с малых водосборных площадей (менее 10 000 км²) в бассейне реки Москвы подготавливается единый грид рельефа с максимальным разрешением 90х90м.

С помощью модуля Ecomag в программе ArcView по полученному гриду рельефa моделируется речная сеть, которая является базой для дальнейшей подготовки данных в модели. Помимо модельной схематизации речной сети, обязательными исходными данными для модели являются почвенная карта и карта видов использования земель.

Результаты расчетов в бассейне Оки показали, что для получения удовлетворительного результата расчета при использовании ИМК Ecomag с крупномасштабной схематизацией водосбора (разрешение ячейки грида рельефа 2х2 км), площадь водосбора должна быть не менее 10 000 км², иначе результаты моделирования сильно ухудшаются. Применение грида рельефа с разрешением 90х90м в бассейне р. Москвы доказало, что моделирование стока малых рек должно осуществляться при использовании более подробного грида рельефа и мелкомасштабных карт видов использования земель и типов почв, ввиду местных особенностей формирования стока на водосборах с малой площадью.

Таким образом, ИМК Ecomag позволяет моделировать сток рек, имеющих различные водосборные площади. Основной задачей при расчетах стока является правильный выбор цифровой модели рельефа в зависимости от площади моделируемого водосбора, а также подбор правильного масштаба карт использования земель и типов почв.

Исследование выполнено при поддержке гранта Президента РФ для поддержки молодых ученых МК-7722.2010.5