Мониторинг паводков и наводнений

Аннотация

Статья посвящена важности и необходимости мониторинга паводков и наводнений для обеспечения безопасности населения и сохранения материальных ценностей. В статье рассматриваются цели мониторинга паводков и наводнений, методы мониторинга паводков и наводнений, в частности дистанционные. Также описаны преимущества использования данных дистанционного зондирования в мониторинге паводков и наводнений. В данной статье приведены примеры успешного мониторинга паводков и наводнений и перечислены перспективы развития мониторинга.

Введение

Паводок – резкий и кратковременный подъём уровня воды в реке, увеличение расхода воды, возникающее в результате обильных дождей, интенсивного таяния снега, ледников, залповых сбросов воды из водохранилищ. Продолжительность паводка от нескольких долей часа до нескольких суток. В отличие от половодья случается в любое время года и периодически не повторяется. Следующие один за другим паводки могут образовать половодье. Значительный паводок может вызвать наводнение – интенсивное затопление большой территории водой выше ежегодных уровней, одно из стихийных бедствий. Наиболее часто наводнения происходят в результате разлива рек при обильном выпадении осадков и интенсивном таянии снега.

Появление паводков и наводнений является серьезной угрозой для жизни людей и домашних животных, а также для инфраструктуры и экономики региона. В связи с этим мониторинг паводков и наводнений является важным инструментом для своевременного предупреждения и минимизации ущерба.

Цели мониторинга паводков и наводнений

Основная цель мониторинга паводков и наводнений заключается в сборе и анализе данных об уровне воды, скорости течения рек, осадках и других параметрах, которые могут повлиять на возникновение наводнений.

Также мониторинг паводков и наводнений осуществляется со следующими целями:

1. Предупреждение населения о возможной опасности и эвакуации в зоне риска.
2. Своевременное предоставление информации о текущей ситуации и прогнозе развития наводнения.
3. Организация работы спасательных служб и готовность к оперативному реагированию на чрезвычайные ситуации.
4. Минимизация ущерба от наводнений за счёт принятия соответствующих мер по защите населения и объектов инфраструктуры.
5. Сбор данных для анализа и улучшения системы предотвращения и прогнозирования наводнений.

Методы мониторинга паводков и наводнений

Существует несколько методов мониторинга паводков и наводнений, которые специалисты используют для отслеживания, прогнозирования и управления рисками водных стихий. Ниже приведены основные методы мониторинга:

1. Гидрологические станции. Устанавливаются вблизи водотоков и других водоёмов для измерения уровней воды, расхода воды и других параметров. Данные с этих станций помогают в реальном времени отслеживать изменения уровня воды, его динамику и потенциальные угрозы наводнений.

2. Радарное зондирование. Используется для наблюдения и измерения осадков, а также для создания карт осыпей и наводнений. Современные радары могут предоставлять высокоточные данные о местонахождении и интенсивности осадков, что помогает в точном прогнозировании паводков.

3. Оптическое дистанционное зондирование. Спутники и беспилотные летательные аппараты (дроны) используются для мониторинга и измерения изменений ландшафта, что позволяет быстро реагировать на угрозы наводнений.

4. Метеорологические станции. Метеорологические станции измеряют атмосферные параметры, такие как давление, температура, влажность и направление ветра. Информация с таких станций помогает в прогнозировании погоды и определении потенциальных стихийных бедствий.
5. Гидрохимический мониторинг. Этот метод включает в себя анализ гидрохимического состава воды, что позволяет оценить загрязнение воды и его воздействие на экосистемы. Мониторинг гидрохимических параметров важен для предотвращения экологических угроз и для защиты питьевых водных ресурсов.

6. Автоматизированные системы мониторинга. Современные технологии позволяют создавать автоматизированные системы мониторинга, включающие в себя датчики, данные со спутников, программное обеспечение для сбора и анализа данных. Эти системы обеспечивают непрерывное отслеживание и предоставляют оперативную информацию для принятия решений в случае паводков и наводнений.

7. Моделирование и прогнозирование. Использование математических моделей для симуляции потенциальных паводков и наводнений на основе данных о гидрологии, метеорологии и географии. Моделирование помогает прогнозировать развитие ситуации и позволяет оценить возможные последствия наводнений.

Эффективное сочетание этих методов позволяет создавать комплексные системы мониторинга паводков и наводнений, обеспечивающие оперативный анализ данных, прогнозирование опасных ситуаций и принятие необходимых мер для защиты населения и инфраструктуры.

Преимущества использования данных дистанционного зондирования в мониторинге паводков и наводнений

Преимущество использования данных дистанционного зондирования в мониторинге паводков и наводнений заключается в предоставлении возможности наблюдения за обширными территориями, что делает мониторинг более эффективным и точным.

Также благодаря использованию данных дистанционного зондирования можно оперативно обнаружить начало наводнений и предпринять соответствующие меры по эвакуации населения и спасению людей.

Дистанционное зондирование предоставляет возможность прогнозирования и предотвращения чрезвычайных ситуаций. Анализ данных о паводках и наводнениях позволяет рано предсказать угрозу и принять меры по укреплению берегов водоёмов и строительству защитных сооружений.

Использование данных дистанционного зондирования в мониторинге паводков и наводнений позволяет сократить расходы на мониторинг и прогнозирование наводнений, а также уменьшить время реакции на чрезвычайные ситуации.

Требования к материалам ДЗЗ (снимки и ЦМР)

• Цифровые модели рельефа. Для оперативного мониторинга развития паводков подходят ЦМР высокого разрешения, например SRTM DEM, имеющий пространственное разрешение 30 м и точность определения высоты 16 м. Чем выше пространственное разрешение моделей, тем точнее создаваемая карта.
  
  Чтобы оценить объем затопленной территории с более высокой точностью приходится использовать данные о рельефе, полученные с помощью аэрофотосъемки или радиолокационной съемки. Эти данные имеют более высокое пространственное разрешение (вплоть до десятков см) и позволяют более точно оценить объемы вод на затопленных территориях.
• Для оперативного мониторинга требуются спутниковые изображения среднего и низкого пространственного разрешения, полученные оптическими сенсорами, такими как установленные на борту Landsat-7, Landsat-8 или Sentinel-2. Эти спутники получают данные из нескольких спектральных диапазонов, которые охватывают видимый через коротковолновый инфракрасный (SWIR) спектр, а также эти данные систематически обновляются. При проведении космической съёмки затопляемых территорий целесообразно использовать информацию в разных спектральных диапазонах.
• Спутниковые снимки высокого и сверхвысокого пространственного разрешения. Для выделения береговой линии и зон затопления с высокой точностью требуются снимки с пространственным разрешением 0,5 метров и выше, такие как снимки с космических аппаратов серии WorldView (США) и Jilin (Китай) или Innoter (Россия).
• Данные должны иметь меньший облачный покров (ниже 5 %). Проницаемость облаков оказывается весьма значимой для мониторинга наводнений, поскольку они обычно происходят в периоды продолжительных осадков. В таких случаях следует пользоваться данными SAR спутниковой системы Sentinel-1 или для более точного картирования данными со спутников TerrasSAR-X/TanDEM-X/PAZ (Франция/Германия/Испания) ил аналогами. Исследования показали, что обнаружение затопленных областей можно оптимизировать, выбрав наиболее подходящую поляризацию волн радара. Было замечено, что обычно поляризация HH (H = горизонтальная) обеспечивает более эффективное различение затопленных областей, чем HV или VV.
• Для более высокой точности используются данные с БПЛА. Дроны обладают наивысшей оперативностью и лучшим разрешением (за счет своей мобильности, быстротой разверстки, качественной аппаратуры и низкой высоты полета). На основе этих данных создаются карты и строятся цифровые модели рельефа обладающие наивысшим пространственным разрешением (вплоть до см), которые позволяют заниматься оперативным, и самое главное, высокоточным мониторингом паводков и наводнений. Для всестороннего анализа развития и последствий затопления территорий необходимо привлечение большого объёма пространственной информации: о регионе в целом, затапливаемых территориях и об объектах, подверженных затоплению. 

Используемое программное обеспечение

ArcGIS – это семейство программного обеспечения для клиентских, серверных и онлайновых географических информационных систем (ГИС), разработанное и поддерживаемое Esri. Из доступных программных продуктов можно выделить следующие гидрологические пакеты:

• HEC-RAS: разработан для ArcGIS Desktop (8.3 - 10.1). Надстройка HEC-GeoRAS позволяет создавать набор картографических слоев и таблиц заданной структуры. HEC-RAS реализует одномерную гидродинамическую модель, а в бета-версии реализована двумерная модель и комбинированная одно-двумерная модель. Минус заключается в том, что «двумерные» результаты сохраняются без поддержки растровой модели данных, поэтому перед тем как отобразить результаты в ArcGIS, нужно конвертировать наборы HDF в текстовый файл.

• MIKE Zero: позволяет создавать одномерные, двумерные и комбинированные модели. С помощью модуля MIKE 11 GIS для ArcMap (10.1) можно осуществить пред- и постобработку данных по затоплению для одномерной модели, в остальных случаях результаты сохраняются в текстовый файл с координатами.
• SMS: разработка инжиниринговой компании Aquaveo, с помощью которой можно напрямую читать shape-файлы и растровые слои в популярных форматах, файлы AutoCAD, и экспортировать результаты в форматы AutoCAD.

  

  Данная разработка удобна в применении к проектам с построением водоразделов и ручьев на основе растровых данных. Два новых инструмента в наборе инструментов Surface-water Modeling System (SMS) позволяют быстро и легко определить область водораздела. В папке Converages на панели инструментов находятся два инструмента - Streams from Rasters и Watershed from Rasters. Первый инструмент, Streams from Raster, оценит данные о высоте растра, извлечет направление стока, создаст связанные дуги и поместит их в отдельное покрытие. Инструмент Streams from Rasters покажет весь сток на основе высоты в выбранном растре. Эта функция помогает отследить наиболее вероятные пути потока воды, пока она не достигнет самой низкой точки, возможной для этого пути потока.

  Инструмент Watershed from Rasters создает домен водораздела. Этот инструмент использует объединение нескольких процессов, котоые работают в определенном порядке в фоновом режиме по мере работы инструмента. Данный инструмент увеличивает скорость создания модели.

• XPSWMM: разработка компании XP Solutions. Принципы подготовки данных и управления ими созвучны с принципами работы в ArcGIS, поэтому для ГИС специалиста XPSWMM является достаточно простым для работы. Shape файлы импортируются напрямую, AutoCAD файлы, растровые изображения ASCIIи GRID форматов, а так же Shape файлы экспортируются напрямую. Для установки требуется предварительная регистрация на сайте.
• ISIS: разработка от компании CH2M HILL. Реализует одномерные и двумерные модели, а также поддерживает двумерную модель TUFLOW. Импорт поддерживает Shape файлы, растровые изображения, ASCII файлы,dfx файлы, экспортируются данные в kml, mif/mid файлы и геоизображения.
• Flood Simulation – новый инструмент, появившийся в ArcGIS Pro 3.3. С помощью него осуществляется моделирование затопления, что включает в себя симуляцию движения и накопления воды в различных средах для прогнозирования поведения затоплений и их последствий. В последней версии ArcGIS Pro пользователи могут легко интегрировать цифровые модели рельефа (ЦМР), данные о реках, водоемах и даже климатические параметры для построения многосценарийных симуляций. Визуализируя потенциальные сценарии наводнений, моделирование наводнений помогает выявить уязвимые зоны, оценить риски и разработать стратегии для их смягчения и аварийного реагирования. 

Для новых пользователей ArcGIS Pro предлагает удобный интерфейс с пошаговыми инструкциями, которые упрощают запуск симуляции без глубоких знаний гидрологии. Специалисты же могут использовать более продвинутые функции, такие как настройка параметров моделирования (например, скорость потоков, объем воды), анализ временных изменений и учет изменений климата. Это делает симуляцию наводнений в ArcGIS Pro универсальным инструментом как для краткосрочного прогнозирования, так и для долгосрочного планирования и управления рисками наводнений.

Опыт ГЕО Иннотер на примере проекта по мониторингу паводков и наводнений

Рассмотрим процесс мониторинга паводков и наводнений на примере проекта компании «ГЕО Иннотер». Целью работы было определение границ зон затопления, подтопления на территории Челябинской области и сведений о границах таких зон, чтобы осуществить меры по предотвращению негативного воздействия вод и ликвидации его последствий. Местом выполнения работ было озеро Смолино и территория, прилегающая к озеру Смолино, в границах Челябинского городского округа и Копейского городского округа.

• Сбор данных:
• Гидрологическая изученность водных объектов

В данном разделе описывается рельеф вокруг озера, общий уклон местности, гидрографическая сеть на водосборе, рельеф самого озера, площадь озера и описание дна.

• Данные об использовании водных ресурсов
• Данные о затоплении и подтоплении территории озером Смолино в Челябинском и Копейском округах за период 2000-2017г.

Данные отображены в виде сводной таблицы. Пример таблицы:

• Данные материалов обследований по выявлению паводкоопасных зон (при их наличии), данные инженерно-геологических и гидрологических изысканий.
• Описание местности по результатам рекогносцировочного обследования, фотоснимки

Далее были сделаны фотоснимки, показывающие обстановку с пронумерованных точек. Пример фотоснимка:

• Ситуационный план территорий, прилегающих к озеру Смолино с отображением границ зон подтопления и затопления.

Было выявлено, что Границы зоны затопления для территорий, прилегающих к оз. Смолино, установлены при затоплении уровнями воды в водоеме обеспеченностью Р=1%

Уровень 1% обеспеченности нанесен на план с учетом рельефа местности. Граница зоны затопления территории, прилегающей к озеру Смолино (включая озеро Исаково) нанесена на ситуационном плане.

Граница зоны подтопления территории , прилегающей к озеру Смолино (включая озеро Исаково) нанесена на ситуационном плане, представленном на рисунке:

• Уровень воды озера Смолино по состоянию на 2017 год.

Уровень воды в озере Смолино в Балтийской системе высот - 217,04 м БС.

• Расчёт уровня воды озера Смолино при паводках 1% обеспеченности, водный баланс озера Смолино.

Был произведён расчёт водного баланса озера Смолино. Расчёты водного баланса выполнены табличным методом по годовым интервалам времени зависимости объёмов и площадей от уровней W= f (H) и F= f (H).

Расчёты водного баланса озера Смолино представлены на рисунке ниже:

• Краткое описание методов исследования и перечень используемых приборов с указанием погрешностей измерений (приборы, используемые для производства инженерно-гидрографических изысканий)

В результате обследования были отмечены особенности морфометрических характеристик озёр Смолино и Исаково. Результатом инженерно-гидрографических изысканий является определение уровня воды на дату изысканий 13.07.2017г. Уровень воды определён на посту государственной наблюдательной оси – озеро Смолино.

Прибор, используемый для производства инженерно-гидрографических изысканий – Нивелир с компенсатором Sokkia; C320. Погрешности измерений: действительное значение угла i=0´´; СКП измерений превышений на 1 км двойного хода не превышает 2 мм; коэффициент дальномера К д = 100,2; диапазон работы компенсатора ± 15´.

Примеры успешного мониторинга паводков и наводнений в мире

В Северной Греции расположено озеро Керкини. Это искусственный водоем, представляющий собой область богатого биоразнообразия. Пространственный охват озера 70-76 км² и объёмом бассейна 11600 км². В связи с контролем уровня затопления и изучением связанных с ним природных закономерностей с помощью мониторинга, удалось достигнуть сохранение динамики экосистемы и достижение эффективного баланса между сезонными потребностями в гнездовании и питании её фауны, а также потребностями в орошении прилегающей равнины Серрес.

Основное внимание уделялось многовременному мониторингу затопленных территорий с июня 2017 по август 2019 года. Для проверки были выбраны даты с измерениями на месте, совпадающие с имеющимися данными Copernicus Sentinel-2. При создании проверочных слоев учитывались не только данные, полученные на месте, но и карты батиметрии, экспертные знания о местности и дополнительная информация, полученная из слоя классификации сцен (SCL) продуктов Copernicus Sentinel-2 L2A. Данные Copernicus Sentinel-1 также были получены за тот же период, и даты Sentinel-1, близко совпадающие с датами Sentinel-2, были выбраны в качестве периода интереса. Это было сделано с целью перекрестной проверки карт затопления, созданных Sentinel-1, с картами затопления, созданными Sentinel-2 для тех же дат, поскольку подход уже был проверен для получения высококачественных результатов.

Используя возможности Copernicus Sentinel-1 и Sentinel-2, были разработаны автоматические сервисы для создания карт затопления. Данные двух спутников объединяются с помощью машинного обучения.

Карты затоплений, приведенные ниже, созданы на основе многоспектральных данных, продемонстрировали высокую точность картографирования площади затопления, а результаты были стабильными в течение всего года, что доказывает эффективность и применимость методов к внутренним водоемам и водно-болотным угодьям.

Национальная метеорологическая служба (NWS) США использует спутниковые данные и системы гидрологического моделирования для мониторинга паводков. Комбинация радарных данных, оптических спутниковых снимков и наземных наблюдений позволяет точно предсказывать уровни речной воды и потенциальные наводнения. В результате эта система позволила существенно сократить время реакции служб экстренного реагирования и повысила точность прогнозов для населения.

Программа спутникового наблюдения Земли Sentinel, инициированная Европейским пространством данных, обеспечивает регулярный мониторинг изменений на поверхности земли. Использование данных Sentinel-1 (радарные спутники) и Sentinel-2 (оптические спутники) для отслеживания уровней воды и состояния растительности. В результате данные помогают региональным властям в управлении рисками наводнений, в том числе в понимании динамики водоёмов.

Программа «Flood Early Warning System» в штате Уттаракханд, заключающаяся в мониторинге паводков в Индии, включает в себя методы использования спутниковых изображений и метеорологических данных для оценки уровней осадков и прогнозирования наводнений. В результате система позволяет улучшить скорость и точность предупреждений о наводнениях, что помогло спасти жизни и снизить ущерб.

Программа «Flood Watch» от Бюро метеорологии Австралии. Система интегрирует данные от спутников, метеорологических станций и гидрометрических постов. Это позволяет давать предупреждения о возможных наводнениях и обеспечивает точные модели распространения водных масс.

Платформа для мониторинга рисков наводнений в федеральной земле Баден-Вюртемберг. Геоинформационные системы (ГИС) используются для создания карт риска наводнений и анализа исторических данных. Это приводит к эффективному управлению водными ресурсами и подготовке к потенциальным паводкам.

Программа мониторинга паводков на основе данных спутников RADARSAT. Спутники предоставляют данные о ледоходах и высоких уровиях рек, что помогает в предсказании наводнений, с помощью чего программа значительно улучшила способность страны реагировать на паводки и минимизировать ущерб.

В 2013 году в результате значительных паводков на Амуре было принято решение о необходимости создания более надёжной системы мониторинга и прогнозирования. Впоследствии была разработана система, интегрирующая данные государственного мониторинга, собирающая спутниковую информацию и прогноза от международных метеорологических организаций. Это позволило существенно повысить точность прогнозов и оперативность реагирования на чрезвычайные ситуации.

Российское космическое агентство использует спутники для мониторинга природных катастроф, включая паводки и наводнения. Специальные космические аппараты, такие как «Канопус-В» и «Ресурс-П», обеспечивают высококачественные изображения, которые используются для оценки текущей ситуации и прогнозирования последствий наводнений.

Проект «Электронный водный паспорт», запущенный в нескольких регионах России, направлен на создание детализированных карт инвентаризации водных объектов и их потенциала для паводков. Использование данных с разведывательных беспилотных летательных аппаратов и других источников позволяет более эффективно планировать меры по предотвращению наводнений и обеспечению безопасности населения.

Система прогнозирования паводков на крупных реках Сибири создана в Сибирском федеральном округе. Данная система использует данные гидрометеорологических станций, спутниковых снимков и метеорологических моделей. Она помогает заблаговременно выявлять угрозу наводнений на таких реках, как Обь, Енисей, и принимать соответствующие меры по предотвращению их разрушительных последствий.

Институт космических исследований Российской академии наук активно участвует в разработке методов мониторинга и анализа данных спутниковой съёмки для оценки рисков и последствий паводков. Такие проекты позволяют своевременно получать данные о динамике водных объектов и прогнозировать развитие паводковой ситуации.

Системы раннего предупреждения в Китае являются ключевым инструментом для подготовки к чрезвычайным ситуациям и минимизации потенциальных ущербов от наводнений. Китай обладает развитой сетью метеорологических станций, которые проводят непрерывный мониторинг погоды и атмосферных явлений. Для контроля за уровнем воды в реках и водохранилищах в Китае установлены гидрометрические станции, позволяющие выявлять потенциальные угрозы наводнений.

Эти примеры показывают, как инновационные технологии и интеграция данных помогают странам эффективно управлять рисками, связанными с паводками и наводнениями. Мировая практика утверждает, что затраты на прогнозирование и обеспечение готовности к стихийным бедствиям в 15 раз ниже затрат на предотвращение причиненного ущерба.

Перспективы развития мониторинга паводков и наводнений

Мониторинг паводков и наводнений является критически важным для защиты населения и инфраструктуры. Перспективы его развития включают использование передовых технологий, междисциплинарных подходов и международного сотрудничества. Вот некоторые ключевые направления и перспективы:

1. Использование спутниковых данных:

• современные спутники могут предоставлять данные с высоким разрешением в режиме в реальном времени, что позволяет точнее прогнозировать паводки и отслеживать наводнения;
• совмещение данных различных спутниковых систем (например, Sentinel от ESA и Landsat от NASA) позволяет точнее получать более полную и точную картину.

2. Системы автоматического зондирования и датчиков:

• Установка сети датчиков в реках, водоёмах и дренажных системах для непрерывного сбора данных об уровнях воды, осадках и других параметрах;
• Использование интернета вещей (loT) для интеграции данных датчиков и создания систем раннего предупреждения.

3. Внедрение искусственного интеллекта и машинного обучения:

• Алгоритмы машинного обучения могут анализировать большие объёмы данных для точного прогнозирования паводков;
• Искусственный интеллект может улучшить модели гидрологического моделирования и облегчить сценарное планирование.

4. Большие данные и аналитика:

• Использование больших данных для анализа исторических данных о наводнениях, чтобы лучше понимать паттерны и прогнозировать будущие события;
• Анализ соцсетей и других источников данных для получения информации о текущей ситуации в режиме реального времени.

5. Мобильные приложения и краудсорсинг:

• Разработка мобильных приложений, которые предоставляют населению актуальную информацию о рисках наводнений и паводков и позволяют пользователям сообщать о ситуации в реальном времени;
• Краудсорсинг для сбора данных от местных жителей и волонтёров может дополнять официальные источники данных. Сочетание официальных данных с информацией, собранной через краудсорсинг, представляет собой мощный инструмент для повышения качества данных, обеспечения большей полноты информации и охвата, а также для вовлечения сообщества в процесс сбора и анализа данных.

6. Международное сотрудничество и обмен данными:

• Создание международных консорциумов для обмена данными и технологиями между странами
• Сотрудничество и координация действий между странами, лежащими в одном речном бассейне.

7. Развитие локальных систем мониторинга и предсказания:

• Инвестиции в создание локальных систем мониторинга в уязвимых регионах;
• Обучение местных специалистов и повышение осведомлённости населения о мерах предосторожности и действиях в случае наводнения.

8. Интеграция с другими системами природоохранного мониторинга:

• Включение мониторинга паводков и наводнений в более широкие экосистемы мониторинга природных катастроф (сель, оползни, ураганы и др.);
• Комплексный подход позволяет точнее учитывать взаимосвязанные природные явления

В совокупности, эти подходы делают систему мониторинга паводков и наводнений более точной, эффективной и проактивной, что значительно снижает риски для людей и инфраструктуры.

Заключение

Мониторинг паводков и наводнений играет важную роль в предотвращении ущерба и защите населения от природных бедствий. Развитие технологий и улучшение систем мониторинга позволяют повысить эффективность предупреждения и реагирования на угрозы наводнений. Эффективный мониторинг позволяет не только предсказывать момент и интенсивность паводков и наводнений, но и даёт возможность для своевременного предупреждения и эвакуации населения, а также для принятия превентивных мер по защите инфраструктуры. Современные технологии, такие как интернет вещей (loT) и системы распределённого наблюдения, расширяют возможности мониторинга и повышают его точность.

Для дальнейшего улучшения систем мониторинга необходимо продолжать интеграцию различных источников данных, совершенствовать модели прогнозирования и развивать международное сотрудничество. Объединение усилий учёных, правительств и общественности является ключевым фактором в повышении готовности и устойчивости к паводкам и наводнениям.