Гидрология - наука, изучающая природные воды, их взаимодействие с атмосферой и литосферой, а также явления и процессы, в них протекающие (испарение, замерзание и т. п.).
В большинстве отраслей экономики существуют объекты, которые пересекают водотоки, например, нефтепроводы и газопроводы, автомобильные и железнодорожные мосты и водопропускные отверстия, линии электропередач и т.д. Практически всегда имеет место переход (подводный, водный, надводный) через водный объект и обследование (мониторинг) этого перехода необходимо осуществлять. ГИС помогают при анализе и моделировании водных потоков наземной поверхности. Бассейн водоёма — территория земной поверхности, с которой все поверхностные и грунтовые воды стекают в данный водоём, включая различные его притоки и реки. Чаще всего речь идёт о бассейнах рек.
Бассейн каждого водоёма включает в себя поверхностный и подземный водосборы. Поверхностный водосбор представляет собой участок земной поверхности, с которого поступают воды в данную речную систему или определённую реку. Подземный водосбор образует толщи рыхлых отложений, из которых вода поступает в речную сеть. В общем случае поверхностный и подземный водосборы не совпадают. Но т.к. определение границы подземного водосбора практически очень сложно, то за величину речного бассейна принимается только поверхностный водосбор.
Возникающие ошибки в результате условного отождествления размеров бассейна и поверхностного водосбора могут оказаться существенными только для малых рек и озёр.
Бассейны между собой отличаются по гидрологическим и морфометрическим характеристикам, а именно:
длина водотоков;
положение водоразделов;
площадь элементарных бассейнов и водоразделов;
угол наклона;
расчленение территории и др.
Традиционным источником данных для расчетов этих параметров являются карты и результаты землемерной съемки.
Но есть и альтернативный способ получения гидрологических и морфометрических характеристик водосборных бассейнов, который основан на цифровых моделях рельефа (ЦМР).
Если этот процесс автоматизировать, то это существенно снизить временные затраты на получение необходимых параметров.
Для выполнения задач гидрологии используется ЦМР, полученная по данным спутниковой съемки SRTM – 3 v.4
Моделирование гидрологических характеристик бассейнов рек производится в среде ArcGIS с помощью инструментов Hydrology, модуля пространственного анализа Spatial Analyst.
Применяя на практике инструменты Hydrology и дополнительно созданные модели, на основе ЦМР Заказчику могут поставляться следующие данные:
Поверхность направления стока - растровый слой;
Поверхность накопления стока (суммарный сток) - растровый слой;
Поверхность длины потока - растровый слой;
Сеть водотоков – векторный слой;
Водоразделы для каждого речного потока - растровый и векторный слой;
Поверхность определения направления стока - представляет собой изображение, каждый пиксель которого несет информацию о направления движения потока.
Этот файл несет в себе намного больше информации, чем кажется на первый взгляд. На основе данных направления движения потоков рассчитываются как бассейны и водоразделы, так и сеть потоков.
Поверхность накопления стока (суммарный сток) - рассчитывается на основе файла направления потоков. Каждый пиксель этого растра отображает то количество условных ячеек файла суммарного стока, по которым перемещается условный водный поток к исследуемой ячейке (пикселу). Значения в выходном файле, которые отображают большое потоковое накопление, могут быть использованы для идентификации речных русл.
Построенная таким образом растровая модель содержит информацию о водотоках, причем в процессе создания данной модели, используя MapAlgebra, пользователь имеет возможность задать минимальный кумулятивный сток, который для каждой ячейки определяется минимальным количеством ячеек, стекающих в данную. На выходе можно получить сеть водотоков различной степени детализации.
Сеть водотоков может быть очерчена по ЦМР с использованием файла суммарного стока (накопления потока) с заданным пороговым значением.
На рисунке ниже представлена сеть водотоков, сформированных на основе суммарного потока с пороговым значением равным в 1000.
Растр водоразделов для каждого речного потока Водораздел — условная топографическая линия на земной поверхности, разделяющая водосборы двух или нескольких рек, озёр, морей или океанов, направляя сток атмосферных осадков по двум противоположным склонам. Водосбор — часть земной поверхности, с которой вода поступает в отдельный водоток. Водоток — водный объект, характеризуемый постоянным или временным движением воды в русле в направлении общего уклона.
Для построения водоразделов используется как сеть водотоков, построеннаю на основе файла направления стока, так и уже готовый вектор рек. В данном случаев качестве сети водотоков использовался готовый вектор рек, на котором и происходил процесс построения водоразделов и бассейнов.
Инструмент построения водоразделов можно использовать как для всей территории ЦМР так и для конкретных рек или их приток.
Инструмент построения бассейнов создает растр, очерчивающий все водосборные бассейны на ЦМР, в отличии инструмента построения водосборов, где возможно производить анализ отдельных приток рек.
Инструмент построения бассейнов анализирует растр направления потоков, чтобы найти все наборы связанных ячеек, которые принадлежат тому же самому водосборному бассейну.
На рисунке ниже представлена тематическая карта бассейнов рек.
На рисунке выше анализировалась вся поверхность ЦМР, но бывают случаи, когда нужно построить бассейн определенной реки или даже ее небольшой части.
В таких случаях задается условная точка устья реки (точка где одна река впадает в другую), и тогда расчет бассейна проводится от этой точки вверх по течению к ее началу.
Допустим, поступила задача определить маршрут движение потока воды (или любой жидкости) по территории поверхности от конкретного пункта наблюдений. Используя файлы суммарного стока и направления движения потока, а также векторный слой точек наблюдения с помощью инструментов ArcGIS группы Spatial Analyst задачу такого рода реально выполнить.
