Анализ динамики количественных и качественных характеристик водных ресурсов с использованием открытых геоинформационных систем и агрогидрологических моделей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Научный журнал Российского НИИ проблем мелиорации, № 1(17), 2015 г., [127-141]

УДК 504.45/556.5:004.942

Институт сельского хозяйства Крыма, Симферополь, Российская Федерация

АНАЛИЗ ДИНАМИКИ КОЛИЧЕСТВЕННЫХ И КАЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНЫХ РЕСУРСОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОТКРЫТЫХ ГИС И АГРОГИДРОЛОГИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Е.А. Дунаева

В.Ф. Попович

Моделирование и анализ работы водохозяйственных систем с использованием геоинформационных систем (ГИС) позволяют объединить в себе возможности картографического масштабирования и распределенной базы данных (БД) линейных, точечных и пространственных объектов, что является актуальным как для задач пространственного планирования, так и для оценки водообеспеченности и условий формирования водных ресурсов территорий. При этом наиболее эффективным является объединение ГИС с возможностями использования средств дистанционного зондирования земли, глобальных и региональных БД, а также аналитических моделей. Применение открытых программных продуктов ГИС и созданных на их базе открытых агрогидрологических моделей создает дополнительную основу для ускорения совместного внедрения этих инструментов.

Актуальность. Водные ресурсы Крыма очень ограничены. В расчете на одного человека в год они почти в 6 раз меньше, чем в среднем по Украине, и почти в 60 раз меньше, чем в России (0,45; 3,0 и 30,8 тыс. м3 соответственно). По данным Европейской комиссии ООН, страна или регион, в которых водные ресурсы из расчета на одного человека в год составляют менее 1,5 тыс. м3, считаются не обеспеченными в достаточной мере водными ресурсами (для примера: во Франции этот показатель составляет 3,3, а в Польше - 1,6) [1].

Приходная часть водного баланса городского водного цикла г. Симферополя большей частью формируется за счет водозабора из местных поверхностных водных источников. Симферопольское водохранилище наполняется стоком р. Салгир, Партизанское - стоком р. Альмы. Для Аянского водохранилища водоисточником является каптаж Аянского источника - зона разгрузки одного их пещерных комплексов на склоне горы Чатырдаг. Однако, учитывая, что водохранилище находится внутри водосборного бассейна р. Салгир выше Симферопольского водохранилища, его можно рассматривать совместно с работой Симферопольского водохранилища (рисунок 1).

Рисунок 1 - Река Салгир с выделенным водосбором Симферопольского водохранилища и точками измерения метеорологической, гидрологической, гидрохимической информации

Суммарно объем водохранилищ местного стока, задействованных в водоснабжении г. Симферополя, составляет 74,3 млн м3 (Симферопольского - 36,0 млн м3, Партизанского - 34,4 млн м3, Аянского - 3,9 млн м3). Для покрытия дефицита водных ресурсов г. Симферополя и г. Севастополя (в период 1981-1989 гг.) было построено наливное Межгорное водохранилище объемом 50,0 млн м3.

При этом необходимо отметить, что построенное в 1954-1956 гг. Симферопольское водохранилище изначально не рассматривалось как объект системы питьевого водоснабжения. Только начиная с 1961 г. оно постепенно становится одним из основных поставщиков питьевой воды для города, хотя и остается водохранилищем комплексного назначения, вода из которого подается также на нужды орошения (система трубопроводов Салгирского межрайонного управления водного хозяйства) и энергетики (ГРЭС).

Методология. В публикациях, посвященных планам обеспечения качества воды, понятие городского водного цикла включает в себя зону формирования питьевых водных ресурсов (бассейн) и инфраструктуру, обеспечивающую подачу воды потребителю [2-4]. В данной работе понятие городского водного цикла расширено и используется в более широком понимании: в водный цикл включены также система канализования, очистки сточных вод и их сброс в водоприемники (рисунок 2). Кроме того, несмотря на использование в первую очередь бассейнового подхода к моделированию формирования водных ресурсов и притока в Симферопольское и Партизанское водохранилища, в рамках городского водного цикла г. Симферополя необходимо дополнительно рассматривать существующую технологическую возможность получения дополнительных водных ресурсов из Межгорного водохранилища (водоисточником которого является р. Днепр с подачей воды в водохранилище по системе Северо-Крымского канала).

В качестве инструмента агрогидрологического моделирования в работе использована открытая версия модели SWAT [5-7] - MWSWAT 2012 [8]. В данной версии базовое уравнение водного баланса на наименьшем неделимом (в рамках расчетного цикла) участке рассматриваемой территории в общем виде в зависимости от изменения влагозапасов представляется следующим образом:

,

где - текущее содержание влаги в почвенном слое, мм;

- содержание влаги в почвенном слое на начало расчетного периода, мм;

- количество осадков за сутки, мм;

- поверхностный сток, мм;

- суммарное испарение, мм;

- количество воды, просочившейся в нижележащие горизонты, мм;

- подпитывание расчетного слоя грунтовыми водами, мм.

Рисунок 2 - Структура факторов влияния на водный баланс (адаптировано) [9]

Для оценки качественных показателей состояния водотоков в данной работе используется индекс загрязненности воды ().

Анализ проб воды по множеству показателей дает возможность определить классы ее качества в виде интегральной характеристики загрязненности поверхностных вод. Классы качества определяются в зависимости от значения , который рассчитывается как средневзвешенная сумма приведенных к предельно допустимой концентрации () фактических значений основных показателей качества воды [10] по следующей зависимости:

,

где - количество используемых основных показателей (рекомендуемое значение - = 6);

- среднее значение определяемого показателя за период наблюдений;

- предельно допустимая концентрация для данного загрязняющего вещества.

В зависимости от полученного значения водные объекты классифицируются с использованием шкалы, приведенной в таблице 1 [10].

Таблица 1 - Характеристики интегральной оценки качества воды

В число шести основных так называемых обязательных показателей при расчете ИЗВ входят концентрация растворенного кислорода и значение БПК5, а также значения еще четырех показателей, которые для данного водного объекта являются наиболее неблагополучными или имеют наибольшие приведенные концентрации (отношение /). В данной работе это БПК5, ХПК, нитраты, сульфаты, хлориды и сухой остаток.

Моделирование гидрологических процессов с использованием технологий ГИС, благодаря возможностям геопространственного анализа, картирования прогнозных или сценарных ситуаций с пространственной привязкой к реальной территории, открыло новые перспективы для оценки и картирования качественного состояния водных ресурсов. При этом аналитическое моделирование с помощью открытой агрогидрологической модели MWSWAT позволяет прогнозировать влияние техногенной нагрузки, технологий управления орошением на качество водных ресурсов водосборных бассейнов, обосновывать и при необходимости оценивать влияние разрабатываемых мероприятий по улучшению экологической ситуации и качества поверхностных водных ресурсов.

В основу данной работы положена следующая гипотеза: на современном этапе развития систем территориального планирования и управления водоресурсным потенциалом территорий с использованием технологий ГИС все более существенную роль начинают играть открытые программные продукты, что создает инструментарий и почву для более эффективного внедрения новейших способов и методов управления водными ресурсами.

Результаты. В связи с ростом цен на энергоносители, для нужд питьевого водоснабжения города Симферополя в последние годы максимально использовались местные водные ресурсы (высота подъема воды от очистных сооружений Межгорного водохранилища до города составляет почти 280 м). Несмотря на это, возможное снижение доступности ресурсов из системы Северо-Крымского канала для заполнения этого водохранилища усиливает потребность в более эффективном их использовании, включая совершенствование системы моделирования притока в водохранилища местного стока, в т. ч. с целью определения периодов возможной нехватки (дефицита) водных ресурсов и разработки стратегии их более экономного использования.

Формирование водных ресурсов в бассейнах рек Салгир (Симферопольского водохранилища) и Альмы (Партизанского) происходит в схожих природно-климатических условиях горной и предгорной частей северного склона Крымских гор. Коэффициент корреляции годового стока этих рек в створах водохранилищ превышает 0,9, что позволяет проецировать результаты моделирования и основные методологические подходы, разработанные для одного из бассейнов, на оба водосбора (это касается только моделирования количественных показателей притока, так как структура формирования качества водных ресурсов в этих бассейнах принципиально различается [11] и является проблемной, в первую очередь для бассейна р. Салгир).

Для выполнения процедур моделирования качественных и количественных характеристик водных ресурсов р. Салгир и притока в Симферопольское водохранилище созданы с использованием данных Салгирского межрайонного управления водного хозяйства необходимые БД суточной динамики стока. Данные фактических измеренных показателей качества воды приняты по материалам Министерства экологии и природных ресурсов Республики Крым и организации питьевого водоснабжения г. Симферополя (Симферопольского филиала ГУП РК «Крымводоканал»). Метеорологические параметры для моделирования сформированы с использованием удаленных БД метеорологической информации [12], а также данных Регионального центра по гидрометеорологии в РК.

На рисунке 3 представлено сравнение фактического притока в Симферопольское водохранилище и результатов моделирования месячных сумм притока с использованием открытой модели MWSWAT 2012 (функционирующей на базе MapWindow ГИС версии 4.8.8, релиз 2013 г.).

Коэффициент корреляции между фактическими и моделируемыми показателями стока (полученными с использованием данных только метеостанции Симферополь) равен 0,77. Такое значение коэффициента свидетельствует о потенциале использования данной модели для проведения оценки и прогноза состояния водных ресурсов (с учетом возможного повышения достоверности результатов моделирования за счет улучшения репрезентативности исходных данных, в первую очередь данных об осадках, благодаря использованию дополнительных данных метеостанции Ангарский Перевал, расположенной в верхней части водосбора рядом с границей бассейна, а также метеопостов, находящихся на его территории).

Рисунок 3 - Динамика фактического (a) и моделируемого с использованием модели MWSWAT (b) объема притока в Симферопольское водохранилище по месяцам за 2010-2013 гг.

Для моделирования водного баланса с использованием модели SWAT территория разбивается на суббассейны, в рамках которых для выделенных так называемых гидрологически характерных единиц и проводится каждый из циклов расчета с последующим формированием укрупненных данных по объектам более высокого уровня. Водный баланс и динамика перемещения воды в почве и поверхностных водотоках с учетом физико-химических характеристик почв и характеристик землепользования (типа растительности, интенсивности использования орошения, данных об урбанизированных территориях, наличии и расположении точечных и площадных источников загрязнения и др.) являются основой для моделирования качественных показателей воды в каждом из выделенных участков гидрологической сети, а также в естественных и искусственных водных объектах.

Проблема канализования, наличия и эффективной работы очистных сооружений является актуальной не только для городского водного цикла г. Симферополя (для бассейна р. Салгир это состояние очистных сооружений и проблема канализования территории Добровского сельского совета), но и для Крыма в целом. По данным Министерства экологии и природных ресурсов Республики Крым, из общего числа канализационных сооружений (КОС) (244) в Крыму работает только 65, в т. ч. эффективно - 2. Объем сброшенных в водные объекты вод в 2013 году составил 208,05 млн м3. Химический состав сбросных вод КОС на участке от истока р. Салгир до КОС г. Симферополя, которые расположены в с. Укромном, приведен в таблице 2.

Таблица 2 - Фактическая концентрация веществ в сбросных водах очистных сооружений р. Салгир от истока до КОС (осредненные показатели за 2013 г.)

Согласно Правилам приема сточных вод [13], качество сбросных вод очистных сооружений соответствует нормам. Согласно данным таблицы 2, в 2013 г. ни по одному из показателей не была превышена ПДК. Существенной проблемой города является продолжающаяся деградация качества водных ресурсов, формирующихся на водосборных площадях Симферопольского и Аянского водохранилищ. Эта проблема вызвана в первую очередь возрастанием антропогенной нагрузки на водосборы, а именно проблемой отсутствия централизованной канализации в долине р. Салгир в границах Добровского сельского совета, а также слабо контролируемыми процессами стихийной застройки территорий и развития туристического бизнеса в зонах формирования водных ресурсов.

Для моделирования качества водных ресурсов информация о наличии и местоположении КОС в верхней части бассейна р. Салгир (от истока до КОС г. Симферополя) добавлена в число слоев ГИС MapWindow, т. е. в рамках этапа оконтуривания территории водосборного бассейна выполнены картографирование и ранжирование точечных источников загрязнения с обозначением участков расположения водовыпусков сбросных вод в водоприемники (рисунок 4). водный ресурс предгорный

Рисунок 4 - Границы бассейна р. Салгир от истока до КОС г. Симферополя с выделением точечных источников загрязнения

Пример моделирования динамики качественных показателей водных ресурсов (содержания нитратов) приведен на рисунке 5 в сопоставлении с данными мониторинговых наблюдений за период 2005-2013 гг.

Анализ результатов моделирования с применением новой версии программного продукта MWSWAT 2012 и данных, полученных с использованием ее предшественника (MWSWAT 2009), позволяет сделать вывод о необходимости повторной калибровки модели. Проведенная калибровка позволила увеличить коэффициент корреляции измеренного годового стока и данных моделирования с 0,75 до 0,93-0,95.

Рисунок 5 - Динамика содержания нитратов в воде р. Салгир по данным мониторинговых наблюдений и данным модели MWSWAT (створ - с. Лозовое)

На основе данных гидрохимического анализа (данных Минэкологии Крыма) и результатов моделирования проведен расчет ИЗВ по формуле (1) для р. Салгир по пунктам мониторинга (таблица 3). Для расчета использовались данные таблицы 2 и значения ПДК из СанПиН 2.1.5.980-00 «Гигиенические требования к охране поверхностных вод» [14].

Таблица 3 - Оценка качества воды р. Салгир по ИЗВ