ГЕОИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ В ИЗУЧЕНИИ ГИДРОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА СЕВЕРНОГО КАСПИЯ
(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 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 – 1900-25 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 ГИС-технологий 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 и применение компартментальных моделей для изучения пространственных характеристик морских экологических систем: Дисс. …д-ра геогр. наук. Мурманск, 20с.
2. Яицкая 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.
