Акиянова Ф.Ж.[1], Фролова Н.Л. [2], Каракулов Е.М. [1], Шаймерденова А.М. [1], Кенжебаева А.Ж. [1]. ИНФОРМАЦИЯ по научно-исследовательскому проекту «Гидрологическое компьютерное моделирование половодья рек Есиль и Нура для определения риска затопления территории города Астаны и прилегающих населенных пунктов».

Исполнитель: Институт географии и природопользования Международного научного комплекса «Астана», приоритетным направлением которого являются фундаментальные и прикладные исследования в области устойчивого развития природно-хозяйственных систем, экологии, охраны окружающей среды и рационального природопользования с применением геоинформационных технологий и данных дистанционного зондирования Земли.

В выполнении проекта принимают участие высококвалифицированные специалисты Казахстана и России, а также молодые ученые, владеющие соврмененными методами геоинформационного картографирования и моделирования. Руководитель проекта– Акиянова Ф.Ж., д.г.н., профессор, академик КазНАЕН.

Заказчик: ГУ «Комитет науки» Министерства образования и науки Республики Казахстан;

Сроки реализации: февраль 2018 г. – декабрь 2020 г.

АКТУАЛЬНОСТЬ И ОСНОВАНИЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПРОЕКТА

Паводковые наводнения на реках представляют собой опасное чрезвычайное бедствие, создающее социальный стресс, приносящее значительный природный и экономический ущерб. За последние 15 лет в Казахстане произошло более 300 наводнений различного происхождения, из них 70 % вызваны весенним половодьем [1]. Причинами возрастания частоты наступления опасности наводнений являются: увеличение численности и плотности населения, проживающего на берегах рек, прокладка инфраструктурных (транспорт, энергия, связь, вода) объектов вдоль рек, зарегулированность рек и состояние гидротехнических сооружений, а также изменение климата, с которым связано увеличение аномалий среднегодовых температур воздуха и годовых сумм атмосферных осадков [2,3,4].

Основанием необходимости проведения научных исследований является существующая вероятность риска затопления столичного региона и населенных пунктов пригородной зоны города Астаны, расположенных в пределах долин рек Есиль и Нура. Быстрый рост численности населения, застройка объектов в пределах водоохранных зон рек значительно повысили риск воздействия паводковых наводнений, привели к социальной напряженности и экономическому ущербу. К примеру, в 2014 году ущерб от весенних паводков в Акмолинской области составил свыше 10 млрд. тенге, в 2015 году 8-9 млрд. тенге, в 2017 году на борьбу с паводками было предусмотрено 900 млн. тенге, ущерб составил 24 млн. тенге. [5,6,7].

Актуальность заключается в недостатке специальных научных исследований в Казахстане по определению риска затопления территорий, хотя данное опасное явление в силу природных и техногенных причин ежегодно приводит к росту социального напряжения и экономическим ущербам. Применение гидрологического компьютерного моделирования позволит определять участки, подвергающиеся риску затопления, на основе которого будут разработаны рекомендации по защите данных территорий.

Основанием для реализации проекта явился ряд программных документов, среди которых следует отметить: 1) Постановление Правительства Республики Казахстан от 23 декабря 2016 года № 848 «О внесении изменений и дополнений в постановление Правительства Республики Казахстан от 15 августа 2001 года № 1064 «О генеральном плане города Астаны». Главной целью Генерального плана является проведение комплекса градостроительных мероприятий, направленных на создание экологически благоприятной, безопасной и социально удобной жизненной среды. Мероприятия по защите территории и обеспечению устойчивого развития города направлены на недопущение чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, сокращения до минимума их последствий. 2).«Программу развития города Астаны на 2016-2020 годы», направленную на обеспечение общественного порядка и безопасности жителей и гостей столицы; защита окружающей среды от угроз, возникающих в результате антропогенных и природных воздействий. 3). Статью 45 Закона РК от 11 апреля 2014 года № 188-V 3PK «О гражданской защите», в которой определены основные задачи научных исследований в сфере гражданской защиты, направленные на снижение негативного воздействия чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, разработку рекомендаций по нормативно-методическому обеспечению оценки и управления рисками в сфере гражданской защиты.

Проект финансируется в рамках гранта ГУ «Комитет науки» МОН РК (2018-2020 гг.)

ТЕРРИТОРИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проведены в границах пригородной зоны г. Астаны, расположенной в получасовой и часовой доступности от границ города Астаны. Зона включает резервные территории за пределами городской черты, предназначенные для развития города и формирования природно-экологического каркаса. В перспективе пригородная зона должна составлять с городом единую социальную, природную и хозяйственную территорию.

В связи с тем, что риск воздействия паводковых наводнений на селитебные объекты и инфраструктуру повышается при приближении к руслам и поймам рек, проведен анализ местоположения данных объектов в пределах водоохранных зон, в целом достигающих для рек Есиль и Нура 2 км. В пределах водоохранной зоны р. Есиль расположено 19 населенных пунктов с численностью населения в 44852 человек (рис. 1).

Рисунок 1. Селитебные и инфраструктурные объекты пригородной зоны

г. Астаны в пределах водоохранной зоны р. Есиль

В пределах границы водоохранной зоны р. Нуры в пригородной зоне г. Астаны расположено 6 сельских населенных пунктов с общей численностью населения 10316 человек (рис.2). Таким образом, в зоне риска воздействия паводков рек Есиль и Нура расположено 25 населенных пунктов и 55168 человек, без учета населения города Астаны.

Для минимизации риска подверженности территорий затоплениям и подтоплениям, предупреждения чрезвычайных ситуаций приоритетными должны стать «…научные исследования, прогнозирование и оценка опасности возможных чрезвычайных ситуаций, а также их социально-экономических последствий» [8].

Рисунок 2. Селитебные и инфраструктурные объекты пригородной зоны г. Астаны в пределах водоохранной зоны р. Нура

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ПРОЕКТА

Цель проекта: Определить риск затопления территории города Астаны и прилегающих населенных пунктов в период половодья рек Есиль и Нура на основе компьютерного гидрологического моделирования, применения данных ДЗЗ и создания цифровых карт сценариев воздействия.

Основные задачи проекта на 2018-2020 годы включают:

Сбор, систематизацию материалов с созданием базы геоданных по гидрологическим и геоморфологическим условиям и организации территории зоны особого градостроительного регулирования и города Астаны;
Анализ современных отечественных и зарубежных подходов и методов исследований рисков затопления территорий;
Оценку и картографированию природных, социально-экономических условий территорий долин рек Есиль и Нура и определению факторов, влияющих на риск затопления г. Астаны и прилегающих населенных пунктов в период половодья рек Есиль и Нура;
Анализ гидрологических параметров долин рек Есиль и Нура в пределах пригородной зоны г. Астаны и создание цифровой модели рельефа;
Выявление основных тенденций пространственно-временной изменчивости расходов и уровней воды рек Есиль и Нура в пределах зоны особого градостроительного регулирования и города Астаны на основе мониторинговых гидрологических и метеорологических данных;
Проведение полевых работ с использованием методов фотограмметрических, тахеометрических и геоморфологических исследований долин рек Есиль и Нура в пределах зоны особого градостроительного регулирования города Астаны.
Оценку и геоинформационное картографирование риска затопления территорий г. Астаны и прилегающих населенных пунктов пригородной зоны в период половодья рек Есиль и Нура на основе гидрологического компьютерного моделирования;
Разработку научно-обоснованных рекомендаций по снижению уровня риска затопления территорий г. Астаны и прилегающих населенных пунктов пригородной зоны в период половодья рек Есиль и Нура.

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исходными материалами для выполнения проекта послужили официальные данные, полученные согласно запросам в местные исполнительные органы Акмолинской области и города Астаны, из официальных сайтов Комитета по статистике МИР РК, местных исполнительных органов, НИИ и вузов, из электронных библиотек, геологических фондов, открытых мировых электронных баз данных, опубликованные научные труды.

Исследования проводятся на основе использования традиционных и инновационных методов географии, гидрологии, экологии, информационных технологий, включая инструменты дистанционного зондирования, компьютерного моделирования, геоинформационного картографирования.

В связи с тем, что значительное влияние на гидрологический режим исследуемых рек оказывает их зарегулированность, проведен анализ статистических и картографических данных по водохозяйственным объектам, план мероприятий по подготовке и проведению паводкового периода 2018 года по водохозяйственным объектам Акмолинского филиала РГП «Казводхоз» и ГКП «Астана Су Арнасы», РГУ Есильская бассейновая инспекция КВР МСХ РК по регулированию использования и охране водных ресурсов.

Изучены методы моделирования затоплений на основе топографического и гидродинамического подходов. При первом зоны затоплений определяются на основе сопоставления существующего уровня воды и уровня подъема воды при наводнениях. При гидродинамическом подходе определяются потоки движения воды в пространстве и времени [9].

Геоморфологические факторы, влияющие на гидрологический режим половодья рек Есиль и Нура, изучены на основе анализа карт, полевых наблюдений, геоинформационных методов картографирования. Основой для изучения современного строения долин рек послужили собранные и обработанные оптические снимки Landsat-8, Sentinel-2 (2015-2018 гг.), радарные снимки Sentinel-1(2016-2018 гг.), находящиеся в свободном доступе [10].

Для актуализации современного состояния русел и пойменных уровней рек Есиль и Нура в пределах пригородной зоны г. Астаны выполнена аэросъемка с помощью многовинтового БПЛА Phantom 4, которая позволила получить снимки с разрешением до 10 см. Съемка произведена по заранее проложенному треку с перекрытием 70 % с высоты 150 метров. Управление и планирование миссии выполнялось с помощью мобильного приложения. Применение данных параметров съемки связано с необходимостью получения цифровых снимков высокой точности как для двухмерного и трехмерного пространственного анализа территории.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2018 ГОДА

1. Создана обширная информационная база, содержащая опубликованные, картографические и статистические данных по природно-антропогенным условиям, климатическим и гидрологическим данным, данным ДЗЗ (рис.3). Также для решения задач проекта создана база данных на основе СУБД PostgreeSQL с активированным расширением PostGIS. База содержит мониторинговые климатические и гидрологические данные по территории исследований.

Рисунок 3. Блок-схема структуры информационной базы проекта

Информационная база содержит:

— списки и картосхемы расположения метеорологических станций (разряд, год открытия, район), гидрологических постов в зоне проекта с координатами (по данным РГП «Казгидромет»);

— опубликованные гидрологические справочники и сборники: «Основные гидрологические характеристики», «Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель, Акмолинская область Казахской ССР»; «Ресурсы поверхностных вод районов освоения целинных и залежных земель, Кокчетавская область Казахской ССР»; «Ресурсы поверхностных вод СССР, Центральный и Южный Казахстан, Карагандинская область» и др.;

— статистические данные и схемы по гидротехническим сооружениям Акмолинского филиала РГП «Казводхоз» и ГКП «Астана Су Арнасы», РГУ Есильская бассейновая инспекция по регулированию использования и охране водных ресурсов КВР МСХ РК, данные химического анализа воды Астанинского водохранилища и питьевой воды насосно-фильтровальной станции г. Астаны за период 2007-2017 годы; данные по паводковым притокам и сбросам в нижний бьеф Астанинского водохранилища за период 1976-2017 гг.;

— данные о водозаборе из поверхностных и подземных источников по отраслям промышленности за период 2007-2017 годы по Акмолинской области;

— статистические и схематические данные, предоставленные ДЧС г. Астана, ДЧС Акмолинской и Карагандинской областей Министерства внутренних дел РК о характере половодья рек Есиль и Нура, наводнениях, их последствиях, и мерах защиты, данные о годах с превышением критического уровня для г. Астаны (450 см);

— данные за 2007-2017 гг. по чрезвычайным гидрологическим ситуациям в районах Акмолинской области, подвергшихся затоплению населенных пунктах, критических уровнях воды, размыва дорог, мостов и др. Приведена информация о проведенных работах согласно Плану мероприятия по инженерной защите населенных пунктов Акмолинской области, подверженных угрозе затопления от паводковых вод весеннего периода 2018 года; о проведенных работах по руслам рек Есиль и Нура;

— данные о чрезвычайных гидрологических ситуациях в районах Карагандинской области: данные о наводнениях, паводках, мониторингу паводков и сведения о состоянии водных объектов за 2007-2017 гг. и частично за 2018 г. – опасные уровни воды на гидропостах области;

— количественные данные, предоставленные МСХ РК по основным показателям забора, использования и сброса воды по Целиноградскому, Аршалынскому, Шортандинскому, районам Акмолинской области за 2017 г. Таблицы содержат сведения по общему забору воды для каждого вида использования, общий объем водоотведения, и в том числе в водные объекты; объемы безвозвратного потребления; потери воды при транспортировке;

— картографический материал по природно-антропогенным условиям (тематические карт и схем), в том числе: План-схема подверженности территории г. Астаны чрезвычайным ситуациям природного и техногенного характера; Карты и схемы подверженности территорий районов Акмолинской области чрезвычайным ситуациям природного и техногенного характера; Карта почв Акмолинской области и г. Астаны; Карта сельскохозяйственного использования земель пригородной зоны г. Астаны и Астанинской агломерации; Карта земель водного фонда пригородной зоны г. Астаны и Астанинской агломерации; Карта функционального зонирования территории пригородной зоны г. Астаны и Астанинской агломерации;

— данные ДЗЗ: Landsat-8, Sentinel за 2015-2017 гг.

На основе систематизации мониторинговых климатических и гидрологических данных создана база данных. Установка и настройка СУБД PostgreSQL произведена в ОС семейства Debian. СУБД относится к программному обеспечению с открытым исходным кодом, все установочные пакеты для ОС подготовлены. Разработка БД начата с формирования структуры базы данных и зависимостей между таблицами базы. В качестве системы управления базой данных выбрана система PostgreSQL версии 10. Основными объектами базы являются: географическая категоризация (классификатор административно территориальных объектов – КАТО) и таблицы первичных данных.

Для контроля доступа к базе данных введены роли – Администратор, Редактор. Роль администратора предполагает полный доступ ко всем элементам БД, редакторы могут менять содержимое БД с помощью скриптов импорта.

В целом база данных представляет собой совокупность данных, организованных в соответствии с разработанной логической структурой, описывает характеристики этих данных и взаимоотношения между ними. Наличие правильно организованной структуры БД позволит эффективнее реализовывать операции по обработке данных в СУБД. При обработке данных можно использовать как встроенный язык запросов SQL так и средства ГИС приложении ArcGIS, QGIS.

2.Проведен анализ современных отечественных и зарубежных методов исследований рисков затопления территорий с учетом методов гидрологического компьютерного моделирования

Гидрологические процессы становятся опасными, если природные и антропогенные изменения водных объектов, их состояния и режима приводят к риску экономических, экологических и социальных ущербов. В настоящее время существует ряд методических подходов и методов для оценки природных опасностей и рисков. Основным методом анализа риска является вероятностный метод. На его основе, в зависимости от имеющейся исходной информации, применяются статистическая, теоретико-вероятностная или эвристическая методики оценки рисков. Для средне- и долгосрочного прогнозирования проявлений опасных природных явлений широко применятся вероятностно детерминированный подход, основанный на выявлении закономерностей их развития, в частности их цикличности.

Для вычисления вероятности природной опасности, в данном случае – наводнения необходимо воспользоваться методами математической статистики. Используя непрерывный длинный ряд наблюдений гидрологических постов, строятся ряды максимальных расходов и уровней.

Для оценки риска необходим показатель ущерба. Риск, как материальный ущерб, определяется при оценке потерь, связанных с техносферой и окружающей природной средой. В пределах территорий, где существуют объекты материальной сферы, возможен прямой ущерб. Существует также косвенный ущерб, который определяются нарушением экономической деятельности в связи с прекращением энергоснабжения, работы транспорта, водоснабжения и т.д. Количественно риск наводнений можно вычислить через величину ущерба (в натуральных или экономических показателях) различной повторяемости или его математическое ожидание [11].

Этот показатель вычисляется по формуле (1):, (1)

где М (D) – математическое ожидание ущерба; C – стоимость оцениваемого объекта; – обеспеченность уровня затопления, %.

Оценка интегрального риска, то есть суммарных потерь в техносфере, природной и социальной среде (гибель и увечье людей) проводится редко, в связи со сложностью оценки стоимости человеческой жизни. Оценка потерь и увечий в социосфере выражается не ущербом, а показателем индивидуального риска, который характеризует вероятность смерти человека от опасного явления природы в течение года [12].

Особенности анализа и оценка риска опасных гидрологических явлений определяются пространственным масштабом исследования. Состав исходной информации, методы ее обработки, выбор соответствующих показателей и применяемых математических моделей, особенности картографирования явлений зависят от пространственного уровня исследования [13]. Российскими учеными Фроловой Н.Л., Агафоновой С.А. и др. предложен комплекс методов исследований для оценки опасности наводнений на региональном и локальном уровнях.

При оценке риска опасных гидрологических явлений (ОГЯ) на региональном уровне вероятность появления опасного процесса и степень уязвимости территории отражаются через косвенные показатели. При комплексной оценке создается серия тематических карт, отражающих изменение количественных показателей опасных природных явлений в пространстве. Они показывают условия и факторы опасных природных явлений, вероятности их возникновений, характеристики уязвимости социальной среды и производственных объектов, оценивается вероятный ущерб от ОГЯ [14].

Основные этапы оценки риска наводнений. Оценка риска наводнений включает в себя блоки природных и социально-экономических показателей. Гидрологические показатели определяются площадью, продолжительностью и глубиной затоплений при прохождении максимального стока, вероятностью этих событий и степенью воздействия на социум и экономику. Социально-экономический блок учитывает материальные ресурсы территории освоения и величину ущерба от возможного затопления. Для возможности ранжирования по уровню опасности перечисленные факторы и показатели усредняются по субъектам.

При определении суммарного индекса опасности, учитываются все факторы, влияющие на опасность наводнений. Непараметрический метод многомерного анализа «PATTERN», который широко используется в экономико-географических исследованиях, позволяет получить обобщающие комплексные оценки опасности наводнений. Этот метод подразумевает нормирование факторов опасных природных явлений и процессов, с присвоением весовых коэффициентов, отражающих степень влияния отдельного фактора на природную и социально-экономическую уязвимость территории [13].

Алгоритм рейтинговой оценки представляет собой следующие этапы:

– представление региональной информации в виде матрицы исходных данных;

– установление наилучших значений по каждому из показателей, приписываемых условному эталонному региону;

– перевод исходной матрицы в матрицу нормированных значений показателей;

– установление численных значений обобщающего показателя для каждого региона на основе частных показателей, характеризующих изучаемое явление;

– значение обобщающей оценки упорядочиваются по тому или иному критерию.

Для полученных значений устанавливаются «веса» (значимость) отдельных качеств путем введения квалиметрического коэффициента на основе экспертных оценок и литературных данных. На основе результатов расчетов индексов опасности и уязвимости составляется матрица типология регионов по степени природной опасности наводнений, с одной стороны, и социально-экономической уязвимости территорий, с другой [14].

Для оценки риска опасных гидрологических явлений на локальном уровне необходимы более детальные методы исследования, учитывающие особенности водного режима определенного участка водотока, а также социально-экономические особенности прилегающих территорий, которые определяют формирование опасного явления и возникающего в результате ущерба [14].

Природный блок оценки риска основывается на анализе водного режима водотока, который строится на основе синтеза моделей гидрометеорологического цикла, включающий метеорологические, гидрологические, геологические, антропогенные характеристики формирования стока, а также данные гидрологических условий водотока на конкретных участках.

Социально-экономический блок включает данные о близлежащих населенных пунктах, гидротехнических сооружениях, гидрологических и геодезических работах, включая оценку ущерба, стоимости и эффективности защитных сооружений и мероприятий. С помощью собранных данных и использования ГИС-технологий создается цифровая модель рельефа исследуемой территории, которая используется для гидродинамического моделирования. С помощью метода компьютерного гидрологического моделирования можно решать задачи, связанные с опасными затоплениями территорий, притоком воды к водохранилищам, антропогенной деятельностью в бассейнах рек, как в краткосрочном прогнозе, так и для выявления различных сценариев. Детальность исходных данных и поставленная задача определяют применение одномерных, либо двумерных моделей для исследования наводнений [13].

Анализ методов компьютерного моделирования. В настоящее время гидрологическое моделирование наиболее эффективно и целесообразно выполнять с помощью геоинформационных систем. Это обусловлено широким спектром возможностей ГИС, а именно возможностью сбора, хранения, обработки, анализа, распространения и визуализации пространственно-временных данных. К основным задачам ГИС относятся управленческие решения, основанные на пространственном анализе, математико-картографическом моделировании, визуализации, прогнозировании и оценке.

В геоинформационной системе, а именно, в направлении гидрологического моделирования насчитывается множество видов программ компьютерного моделирования гидрологических процессов для определения зон затопления. Данные модели используются в изучении влияния гидрологических процессов для разработки плана минимизации риска затоплений, оповещения общественности и сокращения ущерба.

В настоящее время в разных странах разработано и применяется в практических расчетах большое количество таких моделей: российские программные комплексы River-1D и Stream-2D разработанные В.В. Беликовым и др. [15, 16, 17], Mike 11, Mike 21 Датского гидрологического института [18], Delft 3D (многослойная двумерная модель) Института Deltares г. Дельфт (Нидерланды) [19], американские HEC-RAS Американского корпуса военных инженеров[20], FLO-2D [21], французский TELEMAC и др. Модели различаются, в основном, способами схематизации расчетной области (треугольные, четырехугольные и смешанные сетки), применяемыми расчетными схемами и методами (конечных разностей, конечных элементов), набором дополнительных блоков (распространение примесей, транспорт наносов и т.п.).

В России наибольшее распространение получила двумерная модель STREAM_2D и одномерная модель тех же авторов River_1D [15,16, 22, 23, 24]. Разработчиками созданы оригинальные методики построения нерегулярных расчетных сеток, наилучшим образом описывающих сложные по конфигурации русла и сооружения на поймах. Модели включают блоки транспорта взвешенных наносов, моделирования повышения уровней воды при ледовых заторах. Преимуществом данных моделей также является доступность программного кода и возможность их внедрения в различные интерфейсы. Программные комплексы используются при решении многочисленных задач, связанных с наводнениями на реках и в устьевых областях рек и техногенным затоплением территории в случае аварий на гидротехнических сооружениях (расчета волн прорыва при аварийных ситуациях на гидроузлах.)

Модели затопления территорий создаются на основе синтеза трёхмерной модели рельефа с данными ортофотоплана и гидрологических сведений. Одной из эффективных моделей, которая поддерживается во многих гидрологических компьютерах моделях, является нерегулярная триангуляционная сеть (TIN).

В основу математических моделей движения водных потоков, являющихся ядром многих прогнозных комплексов, положено решение системы уравнений Сен-Венана, которые являются базовыми в вычислительной гидравлике открытых потоков [16, 25]. В зависимости от детальности исходных данных и решаемой задачи применяются одномерные и двумерные модели движения водного потока. Водный поток, при записи системы уравнений Сен-Венана, может быть представлен в одномерной (характеристики потока усреднены по поперечному сечению) и двумерной (осреднение по глубине) схематизации.

1) Одномерные модели могут использоваться для расчетов на протяженных участках на основе данных о морфометрических характеристиках речных долин, представленных в виде отдельных поперечных профилей, расположенных на значительном расстоянии друг от друга (порядка нескольких ширин русла и более – рис. 4).

Рисунок 4 – Создание схемы участка р. Есиль для одномерной модели HEC-RAS

Для спокойных потоков (при числе Фруда Fr<1) входными данными для расчета являются гидрографы (хронологические графики изменения расхода воды) на верхней границе моделируемого участка и ход уровней на его нижней границе. В некоторых моделях последнее условие может быть заменено зависимостью уровней воды от расхода. Результатами расчетов являются изменения уровней водной поверхности и расходов воды по времени на каждом поперечнике в пределах расчетного участка (рис.5). При этом расчет перекоса водной поверхности на поперечниках, как правило, не производится, и отметки уровня воды принимаются едиными для каждого из поперечников.

Рисунок 5 – Визуализация результатов расчета по одномерной модели HEC-RAS

Использование одномерных моделей целесообразно при выполнении моделирования протяженных участков реки — в случае, когда их длина на порядок и более превышает ширину зоны возможного затопления. При этом одномерные модели в принципе не могут учесть эффекты, связанные с перемещением динамической оси потока по ширине долины, что в некоторых случаях может иметь решающее значение при прогнозе затопления урбанизированных и техногенно-измененных территорий.

2) Двумерные модели требуют более детальной информации о морфометрии речных долин, в первую очередь о рельефе территории потенциального затопления, представленном в виде поля точек в декартовой системе координат (x, y, z). В результате они позволяют получить плановую картину распределения скоростей течения, уровней водной поверхности и глубин воды в пределах расчетной области.

3. Проведены оценка и картографирование природных (климатических, гидрологических) условий пригородной зоны г. Астаны

Оценка и картографирование климатических условий проведено на основе анализа данных метеорологических станций Астана и Аршалы, имеющих непрерывный ряд наблюдений с 1981 по 2017 год. Средняя годовая температура воздуха меняется от 2,8^оС на метеорологической станции Аршалы и до 3,6^оС на МС Астана (рис.6). Режим температуры воздуха в пригородной зоне г. Астаны характеризуется сильной контрастностью в холодный и теплый периоды года (рис.7).

Рисунок 6 – Средняя многолетняя годовая температура воздуха, ^оС

Наиболее высокие температуры наблюдаются в июле преимущественно в Астане и составляют 20,7^оС. Температурный режим холодного периода из года в год более изменчив и колебания от -8,7^оС до -13,5^оС.

Рисунок 7 – Годовой ход температур и осадков

Гидрологические условия изучены на основе анализа данных гидропостов. Исходя из анализа основных характеристик стока воды р. Есиль за весенний период определено, что 2014-2015 гг. являются периодом повышенной водности. Значение максимального уровня воды 2015 г. превысило соответствующее значение 2012 года в 6 раз (рис. 8). На р. Нура значение максимального уровня воды 2015 года в 2 раза выше значения 2012 года. В целом, для данного водного объекта характерно равномерное увеличение показателя максимального уровня воды за 2011-2015 гг. (рис.9).


а	б

а – 2012 г., б – 2016 г.

Рисунок 8 – Ход уровня и расхода воды р. Есиль за весенний период по гидропосту у с. Волгодоновка.

Характерной чертой для реки Нуры является бифуркация, что обусловлено слабо выраженными водоразделами междуречья Есиль – Нура и наличием общего уклона в сторону р. Есиль с величиной падения 12,5 м. В связи с этим, помимо соединения этих двух рек, происходит перетекание части воды. Соединение происходит по трем протокам – Саркрама, Козгош и Мухор, которые полностью входят в пределы пригородной зоны и повышают риск затопления и подтопления г. Астаны и прилегающих населенных пунктов.


а	б

а – 2012 г., б – 2016 г.

Рисунок 9 – Ход уровня и расхода воды р. Нуры за весенний период по посту у а. Кошкарбаева

Проведена оценка и картографирование основных демографических условий пригородной зоны г. Астаны, влияющих на риск затопления г. Астаны и прилегающих населенных пунктов в период половодья рек Есиль и Нура. Численность населения пригородной зоны г. Астаны в 2017 г. составила 180,447 тыс. чел. (без учета г. Астаны). Численность населения г. Астаны на начало 2017 года составила 972, 692 тыс. чел. Средняя плотность населения по пригородной зоне без учета г. Астаны составляет 33.9 чел/км². Наибольший показатель плотности населения в разрезе сельских округов.

На территорию пригородной зоны г. Астаны в разрезе сельских округов составлена карта плотности и численности населения (рис.10). Исследования показали, что близость большинства населенных пунктов и хозяйственного комплекса к рекам обуславливает их повышенную подверженность воздействию вод половодья, что может привести к экономическому ущербу и усилению социальной напряжённости.

Рисунок 10 – Плотность населения пригородной зоны в разрезе сельских округов и г. Астаны

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведения исследований по проекту «Гидрологическое компьютерное моделирование половодья рек Есиль и Нура для определения риска затопления территории города Астаны и прилегающих населенных пунктов» в 2018 году:

Проведен сбор и систематизация опубликованных, картографических и статистических материалов по природно-антропогенным условиям, мониторинговых климатических и гидрологических данных за 2017 год, данных дистанционного зондирования Земли. На основе сбора и систематизации данных создана информационная база данных по природно-антропогенным условиям, мониторинговым климатическим и гидрологическим данным за 2017 год, материалам дистанционного зондирования пригородной зоны г. Астаны.
Проведен анализ современных отечественных и зарубежных методов исследований рисков затопления территорий с учетом методов гидрологического компьютерного моделирования. На основе анализа современных отечественных и зарубежных методов определены методы исследований рисков затопления территорий, с учетом методов гидрологического компьютерного моделирования.
Проанализированы отечественные (Шарипханов, 2015; Архипкин, 2016; Плеханов, 2017) и зарубежные (Фролова, 2013; ChangH, 2016) методы рисков затопления, методы гидрологического моделирования (HEC-RAS, FLO-2D, MIKE HYDRO RI-VER, Stream-2D). Наиболее перспективными определены методы HEC-RAS, метод учета ливневых осадков (Hydrological Research Center, 2015), метод учета содержания воды в снеге (NOHRSC).
Проведена оценка климатических (температура, осадки, ветер), гидрологических (уровни воды и объем стока по гидропостам), геоморфологических (антропогенная преобразованность рельефа долин рек Есиль и Нура) и социально-экономических (демографических по плотности населения в разрезе сельских округов и численности населения сёл пригородной зоны), влияющие на риск затопления в период половодья рек Есиль и Нура. Проведено картографирование природных условий с составлением карт: температуры, осадков и ветра в пределах пригородной зоны г. Астаны, антропогенной преобразованности рельефа. Составлены карты по демографии: плотность населения в разрезе сельских округов и численности населения населенных пунктов, входящих в пригородную зону г. Астаны.

Принято участие с докладом на международной конференции с публикацией тезисов доклада: Evaluation of the development of plane erosion by methods of analysis of remote sensing data and modeling. F. Akiyanova, E. Karakulov, A. Kenzhebayeva // Practical Geography and XXI Century Challenges. International Scientific and Practical Conference. 4-6 June 2018, Moscow. Conference Book, Part 1. – Moscow: Institute of Geography, Russian Academy of Sciences, — 2018. 661-662 p.

Опубликована статья «Материалы и методы оценки риска наводнений на реках Есиль и Нура в пределах пригородной зоны города Астаны» в рецензируемом отечественном научном журнале «Гидрометеорология и гидрология», №3, 2018 г.

Научно-технический уровень выполненных в 2018 г. исследований проекта высокий, он связан с применением современного высокоточного полевого геодезического оборудования GNNS приемника Trimble, программного обеспечения Agisoft PhotoScan, обработки актуальных цифровых космических снимков высокого разрешения Sentinel-1 и аэрофотоснимков с БПЛА DJI Phantom 4, получения новых батиметрических данных во время проведения полевых исследований по территории пригородной зоны.

Планы проведения исследований по проекту в 2019-2020 годах

Полученные результаты исследований 2018 года по проекту лягут в основу исследований 2019 -2020 годов в виде методологической основы и информационной базы данных.

Основные задачи 2019-2020 годов включают:

Создание ЦМР (цифровая модель рельефа) долин рек Есиль и Нура в пределах пригородной зоны г. Астаны, как основы гидрологического компьютерного моделирования;

Анализ гидрологических параметров рек Есиль и Нура в половодье в пределах пригородной зоны г. Астаны для выявления основных тенденций пространственно-временной изменчивости расходов и уровней воды рек в половодье;

Гидрологическое компьютерное моделирование затопления в период половодья рек Есиль и Нура в пределах пригородной зоны г. Астаны при различных гидрологических условиях;

Оценку и геоинформационное картографирование риска затопления территорий г. Астаны и прилегающих населенных пунктов пригородной зоны в период половодья рек Есиль и Нура на основе гидрологического компьютерного моделирования;

Разработку научно-обоснованной рекомендации по снижению уровня риска затопления территорий г. Астаны и прилегающих населенных пунктов пригородной зоны в период половодья рек Есиль и Нура.

Ожидаемые результаты проекта: Цифровые карты сценариев риска затопления города Астаны и прилегающих населенных пунктов пригородной зоны в период половодья рек Есиль и Нура, составленные на основе компьютерного гидрологического моделирования; Научно-обоснованные рекомендации по защите территорий, подверженных риску затопления; Публикации результатов в в зарубежных и отечественных научных изданиях, зарубежных научных изданиях, индексируемых базами Web of Science и Scopus.

В получении результатов проекта заинтересованы организации республиканского, регионального и местного уровней, занимающиеся вопросами градостроительства, защиты территорий от опасных гидрологических процессов (ТОО «НИПИ Астанагенплан», Акиматы Астаны, Акиматы населенных пунктов области, ДЧС г. Астаны, КЧС МВД РК), научные и проектные институты, производственные организации, ВУЗы.

________________________________

[1] Институт географии и природопльзования МНК «Астана»,

[2] Кафедра гидрологии суши географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова