Возможности ГИС-технологий при мониторинге  экологической обстановки озер Северо-Казахстанской области

Дмитриев П.С. –  зав. кафедрой география и экология, доцент

Назарова Т.В. – магистр, кафедра география и экология

Бектурганова М. – магистрант, кафедра география и экология

Северо-Казахстанский государственный университет

имени М. Козыбаева

ГИС - современная компьютерная технология для картирования и анализа объектов реального мира, также событий, происходящих на нашей планете. Эта технология объединяет традиционные операции работы с базами данных, такими как запрос и статистический анализ, с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта.

Эти возможности отличают ГИС от других информационных систем и обеспечивают уникальные возможности для ее применения в широком спектре задач, связанных с анализом и прогнозом явлений и событий окружающего мира, с осмыслением и выделением главных факторов и причин, а также их возможных последствий, с планированием стратегических решений и текущих последствий предпринимаемых действий.

Сущность ГИС состоит в том, что она позволяет так или иначе собирать пространственные данные, создавать базы данных, вводить их в компьютерные системы, хранить, обрабатывать, преобразовывать и выдавать по запросу пользователя чаще всего в картографической форме, а также в виде таблиц, графиков, текстов [4].

Повсеместность использования ГИС привела к многообразию толкований самого понятия. В научной литературе бытуют десятки определений ГИС, в них отмечается что ГИС – это аппаратно-программный и одновременно человеко-машинный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку, отображение и распространение пространственно-координированных данных, интеграцию данных и знаний о территории для их эффективного использования для решения научных и прикладных задач, связанных с инвентаризацией, анализом, моделированием, прогнозированием и управлением окружающей средой и территориальной организацией общества [9]. ГИС может рассматриваться одновременно как инструмент научного исследования, технология и продукт ГИС-индустрии [2].

Геокодирование – это метод и процесс позиционирования пространственных объектов относительно некоторой системы координат и их атрибутирования. Примером может служить адресная привязка [1].

В науках о Земле информационные технологии породили геоинформатику и географические информационные системы (ГИС), причем слово «географические» обозначает в данном случае не столько «пространственность» или «территориальность», а скорее - комплексность и системность, заложенные в ГИС. Развитие ГИС дает современной географии уникальный и может быть единственный за всю ее историю шанс действительно стать основой передовых технологий в науках о Земле, концептуальной базой, на которую сможет опереться геоинформационная индустрия (2).

На нынешнем уровне развития геоинформатики ее роль в науках о Земле и обществе не исчерпывается сбором, обработкой и хранением информации. ГИС стала едва ли не основным и безраздельным инструментом моделирования природных, хозяйственных, социальных процессов и ситуаций, прослеживания их связей, взаимодействий, прогнозирования, дальнейшего развития в пространстве и во времени, а главное – средством обеспечения принятия решений управленческого характера (9).

ГИС моделирование опирается на базы данных и базы знаний. Первые интегрируют цифровые картографические, аэрокосмические, статистические и другие данные, отражающие пространственное положение, состояние и отношения объектов, а вторые – содержат совокупности логических правил, сведений, концепций, необходимых для выполнения моделирования и принятия решений. В то же время нельзя не видеть, что ГИС – это особая технология, опирающаяся на компьютерные комплексы и программные средства, причем важнейшим элементом этого комплекса являются автоматические картографические системы. (2)

Прямым результатом  взаимодействия картографии и геоинформатики является геоинформационное картографирование. Оно формируется как узловая дисциплина на пересечении автоматизированного картографирования, аэрокосмических методов в их широком понимании, включая дистанционное зондирование, дешифрирование и цифровую фотограмметрию, и геоинформатики. Одним словом, речь идет об интегральном направлении, вбирающем в себя актуальные достижения теории, методики и технологии картографирования и геоинформатики. (3)

Для выполнения работы планируется создание картографических материалов созданных с помощью компьютерной программы MapInfo Professional 7.0. Это развитая система   настольной картографии, позволяющая решать сложные задачи географического  анализа, такие как создание районов, связь с удаленными базами данных, включение графических объектов в другие приложения, создание тематических карт, выявление тенденций и закономерностей в распределении данных и многое другое. (21)

MapInfo, как средство настольной картографии, — это мощное средство анализа данных. Можно придать графический вид статистическим и прочим данным. Можно отобразить свои данные в виде значков, тематически выделенных областей, круговых и столбчатых графиков, районы и т.п. К данным можно применять географические операторы, такие как районирование, объединение и разрезание объектов и буферизация. Доступ к данным можно оформлять в виде запросов, в том числе к удаленным базам данных, непосредственно из MapInfo. На карте легко увидеть особенности и тенденции, которые практически невозможно выявить в списочно-организованных данных. Можно легко вычислить расстояния между точками; можно увидеть даже просто местоположение объектов. Размер символов, отмечающих размещение объектов на карте, может зависеть от качественной или количественной характеристики. Все это делает визуализацию наших данных более наглядной. (21)

В целях совершенствования системы управления водными ресурсами на основании пункта 26 Плана выполнения решений Всемирного саммита по устойчивому развитию (г. Йоханнесбург, 2002 год); Постановление Правительства РК от 11 октября 2006 года № 978 «О подписании соглашения между Правительством РК и Программой Развития ООН по проекту «Национальный план по интегрированному управлению водными ресурсами и водосбережению для РК» принята Программа «Интегрированного управления водными ресурсами и повышения эффективности водопользования РК до 2025 года».

Для решения проблемы эффективного управления озерных экосистем необходимо исследование морфометрических особенностей озерных котловин, а также определение зависимостей между генетическими типами и морфометрическими параметрами озер. Таким образом, выявление взаимосвязи морфометрических показателей  с экологическим состоянием озер является актуальным. Характер взаимосвязи между компонентами озерных экосистем и окружающими ландшафтами определяет гидрологические и экологические особенности каждого из озер и направленность их развития. Накопление вещества в озерах играет важнейшую роль в преобразовании озерных котловин и эволюции озерных экосистем. В связи с этим актуальным является изучения качественных и количественных показателей озер Северо-Казахстанской области.

Морфометрические характеристики озер, в определенной мере предопределяют экологические особенности водоемов, их современный трофический статус. Зная площадь, максимальную и среднюю глубины, можно моделировать форму котловины озера, по картографическим материалам - определить длину и изрезанность береговой линии, озерность территории и других параметров. Проведенные расчеты позволяют выявить особенности формирования гидрологического режима озер в зависимости от морфометрических характеристик и способствовать оценке экологического состояния водоемов.

Изучение особенностей водного режима озер СКО имеет большое практическое значение, которое не ограничивается только вопросом сельскохозяйственного водоснабжения, но связано с добычей солей, донных отложений, лечебных грязей в озерах, уловами рыбы и т.п., для хозяйственного использования озерных ресурсов и совершенствования методов оценки озерных ресурсов в условиях природного и антропогенного воздействия. Важным является создание единого каталога озер СКО, для общего пользования.

Морфометрией озеровидных водоемов называется совокупность методов и приемов количественного выражения элементов формы и размеров котловин и объема заполняющих их вод.

Абсолютные и относительные величины, характеризующие форму и размеры озерной котловины и количество заполняющей ее воды носят название морфометрических показателей. Морфометрические показатели определяются по плану или карте водоема в изобатах и относятся к определенному уровню воды.

Для обобщения и систематизации материалов о морфометрических показателях озер нами была составлена таблица в формате MS Excel.

Для количественных показателей выбирались единые для всех озер единицы измерения, для каждого из качественных показателей составлялся фиксированный набор значений, содержащей сведения о состоянии озер.

Координаты являются одним из важнейших количественных показателей, так как по координатам можно определить точное географическое положение озера.

Площадь – это морфометрический показатель, характеризующий положение и размер заданного объекта на данной территории. В качестве единицы измерения площади используются квадратные километры, поскольку именно эта единица измерения наиболее часто используется для работы с площадными объектами в различных ГИС. Озера по размерам подразделяют на: а) очень большие (A > 1000 км²); б) большие (101 < A< 1000 км²); в) средние (10 < A < 100 км²); г) малые (A < 10 км²). По данной классификации озера области относятся к малым озерам. Согласно классификации Водопьяновой С.Г  по площади акватории озерных котловин южных равнин Западной Сибири, озера области относятся преимущественно к  очень малым (до 1 км²).

Площадь водного зеркала – одна из площадных характеристик, определена подробно, имеются минимальные и максимальные значения. Площадь поверхности (зеркала) озера F (км²) – площадь водной поверхности без островов.

Площадь «среднего» озера  –  около 2 км², на их долю приходится всего 10% от общего их количества. Показатели площади озер сильно варьируют, от сотен квадратных километров до нескольких гектаров. Наиболее крупными являются Селетытениз – 777 км², Улькенкарой – 305 км², Шаглытениз – 267,4 км², Теке – 265 км², Кишикарой – 102 км², Имантау – 48,9 км²,  Б. Тарангул – 40 км²,  Менгисер (Менгисор) – 36,8 км².

Под коэффициентом озерности (озерностью) понимается отношение суммарного зеркала озер к взятой площади в процентах. Этот количественный показатель А.М. Берлянт (1978) предложил называть плотностью озер. Озерность территории области самая высокая в РК (2008) –около 3,6%. Наибольший показатель отмечается в Уалихановском районе – 8,23%; в Акжарском – 5,55%; Жамбылском – 5,54%. В пригородной зоне Петропавловска – 6,5%. Незначительная озерность в районах:  Аккайнский, М. Жумабаева, Г. Мусрепова – от 1,26  до 1,88%. По подсчетам (1974г) в области находилось около 4600 озер общей площадью 4800 км². Средний коэффициент плотности 3,9%, средняя частота встречаемости 3,7 на каждые 100 км². Так, за 34 года коэффициент плотности сократился на 0,3 %, что объясняется неустойчивым уровенным режимом озер.

Так как озеро с его водосбором является единой природной системой, и водосбор играет огромную роль в формировании экосистемы озера, показатель площади водосбора так же является одной из важнейших количественных характеристик озер. Площадь водосборов озер области в 3-4 раза превышает площадь озера.

Пользуясь данными исследований научных сотрудников НОЦЭИ и литературными источниками, нами рассчитан удельный водосбор, который составляет 5-7. Наибольший удельный водосбор представлен у озер Копа (380), Малый Тарангул (32), Кишикараой (20).

Глубина – одна из следующих важнейших морфометрических характеристик озера, так как влияет на другие важнейшие морфометрические показатели, такие как объем воды, площадь зеркала, водосбор и другие. Глубина: максимальная Нmax (м) находится по данным промеров; средняя Hср (м) – вычисляется как частное от деления объема водной массы (V) на площадь его зеркала (F). Пользуясь данными исследований научных сотрудников НОЦЭИ и литературными источниками, было выявлено, что максимальная глубина озер составляет Жаксы-Жангызтау (18,5 м), Шалкар (15 м), Имантау (10 м).

Согласно классификации Иванова П.В. по коэффициенту относительной глубины озер, озера области относятся к: а) очень мелким (0,1-0,5 м) – 38%, б) мелким (0,5-2,0) – 61%, в) нормальным (2,0-4,0) – 1%.

 Длина и ширина озера – одни из важнейших морфометрических показателей характеристик озер, так как позволяют определить площадь водного зеркала, длину береговой линии, объем воды и другие показатели. Длина озера L (км) – кратчайшее расстояние между двумя наиболее удаленными друг от друга точками береговой линии водоема, измеренное по его поверхности. Средняя ширина Вср. (км) – частное от деления площади зеркала водоема F на его длину; максимальная ширина Вmax (км) –наибольшее расстояние между берегами по перпендикуляру к длине водоема.

Длина береговой линии I (км) измеряется по урезу воды (нулевой изобате). Длина береговой линии – длина границы между сушей и водной поверхности, измеряемая либо непосредственно на объекте, либо по карте, аэрофотоснимкам или космическим фотографиям. Наибольшая длина береговой линии у озер: Селетытениз (420,3), Теке (155), Шаглытениз (95). Очертание береговой линии озера зависит от формы впадины, в которой оно находится; на его конфигурацию влияют также притоки и развитие дельт.

Изрезанность береговой линии характеризует степень неправильности очертания берегов и определяется как отношение длины береговой линии озера к длине окружности круга, имеющего площадь, равную площади озера.

Степень зарастания высшей надводной растительностью различна. Этот количественный показатель позволяет охарактеризовать уровень биологического и физического загрязнения, которое является одной из причин деградации озерных экосистем. Степень зарастания озера в данном исследовании выражена в процентах. В исследуемых районах СКО было отмечено 109 озер с известной степенью зарастаемости.

  Таким образом, морфометрия озер связана с количественными оценками и изменениями формы озера и его элементов. Основные морфометрические показатели озера характеризуют его поверхность (длина, ширина, площадь зеркала, длина и изрезанность береговой линии, размеры островов), глубину, объем всей водной массы и отдельных слоев.

Результаты проведенной работы, в соответствии с договором  между ОО «Экосфера» с одной стороны и ГУ «Управление природных ресурсов и регулирования природопользования» от 13 апреля 2012 года, с другой стороны по бюджетной программе 254.001.000 в рамках государственного социального заказа по разработке информационной системы: «База данных по озерам Северо-Казахстанской области».

Разработана база данных по озерам Северо-Казахстанской области в программе Microsoft Excel, включающая следующие характеристики: административная принадлежность (район) области, название, местоположение, координаты (топография), площадь, длина береговой линии, гидрохимические показатели, тип, арендатор (озера, где осуществляется хозяйственная деятельность), площадь зарастания.

Выводы:

1.Изучен количественный и качественный состав топографических, гидрологических данных по озерам области озер СКО.

2.Для обобщения и систематизации материалов о топографических, морфометрических, гидрологических, гидрохимических и др. показателей озер СКО составлена таблица в формате MS Excel

3. Проанализировано хозяйственное использование озерных ресурсов СКО, основными видами антропогенного воздействия следует считать эвтрофикацию, деградацию и использование ресурсов озера для сельскохозяйственных нужд.

4.  Посредством MapInfo, можно придать графический вид статистическим данным качественных или количественных характеристик озер, что делает визуализацию данных более наглядной.

Список использованных источников

1.                  Баранов Ю.Б., Берлянт А.М., Капралов Е.Г., Кошкарев А.В., Серапинас   Б.Б., Филиппов Ю.А. Геоинформатика. Толковый словарь основных   терминов. – М.: ГИС – Ассоциация, 1999. – 204 с.

2.                  Берлянт А.М. Геоинформационное картографирование. М.: Астрея, 1997. 64 с.

3.                  Митчел Э. Руководство ESRI по ГИС-анализу. Т.1. – ESRI Press, 2001. – 190с.

4.                  Основы геоинформатики: В 2 кн. Кн.1: Учеб. пособие для студ. Вузов / Е.Г. Капралов, А.В. Кошкарев, В.С. Тикунов и др.; под ред. В.С. Тикунова. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 352с.

5.                  MapInfo Professional. Руководство пользователя. – MapInfo Corporation Troy, New York, 2002. – 798с.

6.            Овчинников Г.Д. О состоянии озер СКО // Ученые записки ППИ. Вып.1. ч.1.- Петропавловск, 1960, С. 63-68.

7.            Филонец П.П. и Омарова Т.Р. Озера Северного, Западного, Восточного Казахстана. Справочник. Л., 1974. С. 3-47.

8.            Книжников Ю.Ф. Аэрокосмические методы географических исследований. М., 2004, 336 с.

9.            Шнитников А.В. Из истории озер Северного Казахстана. В кн: Озера Казахстана и Киргизии и их история. Л., 1975, С. 5-27.

10.        СКГА Ф.2054, оп. 4, д.181. Материалы паспортизации озер Петропавловского района за 1939-1941 гг. Т.1. Петропавловск, 1939, 131 л.