Використання гіс в гідромеліорації і управлінні водними та земельними ресурсами

 

Геоінформаційні системи і технології в гідромеліорації і управлінні водними та земельними ресурсами широко використовуються при розробці проектів меліорації ландшафтів, управлінні водогосподарськими системами і мережами, гідромеліоративними системами, при вирішенні проблем охорони родючості ґрунтів, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів, підтоплення і затоплення земель, боротьбі із наслідками радіоактивного і токсичного забруднення агроландшафтів і водних джерел, при картографуванні земель, в процесі здійснення еколого-меліоративного моніторингу, гідрогеолого-меліоративних досліджень тощо.

Приклади використання ГІС-технологій для характеристики еколого-меліоративного стану зрошуваних масивів Херсонської області представлені на рис. 3.1. - 3.2.

 

3.1. Використання ГІС при інтеграції знань про ландшафт

 

Інженерно-технічні працівники, які здійснюють управління водними і земельними ресурсами, працюють в галузі гідромеліорації і зрошуваного землеробства, знають, що основним об'єктом в процесі їх діяльності є ландшафт (нім. Landschaft) – генетично однорідна територіальна система, яка складається із взаємозв'язаних природних або природних та антропогенних комплексів. Основним фактором впливу на ландшафт в процесі сільськогосподарських гідротехнічних меліорацій є вода.

В процесі сільськогосподарського використання земель і зрошуваних меліорацій при відповідних умовах виникає ряд проблем: підтоплення і затоплення земель, вторинне засолення і осолонцювання ґрунтів, зменшення їх родючості, забруднення земель і водних джерел тощо.

 

0,0-0,5 м

0,5-1,5 м

1,5-3,0 м

 

3,0-5,0 м

5,0-8,0 м

Більш 8,0м

 

Рис. 3.1. Карта рівня ґрунтових вод та визначення зон ризику підтоплення земель для ділянки місцевого зрошення на закритому горизонтальному дренажі Новоолексіївської селищної ради Генічеського району Херсонської області (за даними П.І. Ковальчука, С. Шевчука)

 

 

0,0-0,5 м

0,5-1,5 м

1,5-3,0 м

 

3,0-5,0 м

5,0-8,0 м

Більш 8,0м

 

Рис. 3.2. Карта гідроізогіпс та рівня ґрунтових вод для визначення зон ризику підтоплення земель ділянки місцевого зрошення на закритому горизонтальному дренажі Новоолексіївської селищної ради Генічеського району Херсонської області (за даними П.І. Ковальчука, С. Шевчука)

 

Всі ці процеси є складними і багатофакторними. Великий вплив на їх виникнення і розвиток оказує специфіка ландшафту, умови і фактори його формування.

В цьому зв'язку, для розробки стратегії, тактики і методів боротьби з негативними екологічними та інженерно-геологічними процесами на зрошуваних масивах важливо розуміти походження ландшафту, історію його розвитку, структуру взаємозв'язку ґрунтів і грунтоутворюючихпорід, і форм рельєфу, еволюція і розвиток грунтово-гідрогеологічних процесів тощо.

Наприклад, знання особливостей ґрунтів, геологічних і гідрогеологічних умов та форм рельєфу, динаміка кліматичних показників та якості зрошувальної води може допомогти в ідентифікації типових вторинно засолених і осолонцьованих ділянок, або для визначення площ, які вимагають термінового меліоративного втручання і розробки заходів щодо підвищення родючості ґрунтів.

У відповідності з цими вимогами за супутниковими і аерофотозйомками методами візуального і цифрового дешифрування складаються карти форм рельєфу, літології, рівня підгрунтових вод і вологості ґрунтів, ступеню засоленості і осолонцювання ґрунтів вивчаємого району. Одержані бази даних і карти вводяться до ГІС і використовуються в якості базової інформації для створення багаторівневої схеми збору додаткових наземних даних і в якості "маски" в процесі класифікації зображення.

Карти також використовуються при моделюванні зв'язків між просторовим знаходженням засолення і осолонцювання земель, формами рельєфу, показниками меліоративного режиму для відображення ступеня небезпеки вторинного засолення, осолонцювання ґрунтів та підтоплення земель.

 

3.2. Картографування розповсюдження підтоплення вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів

Корекція і класифікація різночасових зображень проводяться з урахуванням характеристик ґрунту, гідрогеолого-меліоративного стану земель і форм рельєфу, даних польових і лабораторних досліджень, прив'язаних до географічних координат з використанням GPS.

Класифікація зображення включає класифікацію з навчанням, використання еталонів, вибір найкращої комбінації діапазонів і визначення пікселів методом максимальної правдоподібності. На стадії навчання з ґрунтової бази даних вибираються репрезентативні зразки окремих класів. Однорідні за спектральними характеристиками об'єкти визначаються з використанням метода класифікації з навчанням. Для зменшення джерел спектральних перешкод маска зображення перетворюється з використанням карти форм рельєфу. Одержані класифікації інтегруються на стадії, яка іде після класифікації. Для оцінки точності класифікації для кожного набору даних розраховуються матриці помилок.

Відповідні карти, які відображають типи підтоплення земель, вторинного засолення, осолонцювання за вивчаємий період (наприклад, з 2000 по 2005 рр. або весна-осінь 2005 р. тощо) створюються і використовуються як вхідні дані для розробки моделей, які оцінюють ландшафт, площу, ступінь і вірогідність вимірів змін, які відбулися в цій області. Виділяється відповідна кількість класів ґрунтів і земель (наприклад, від незасолених до засолених ґрунтів, або – від не підтоплених до підтоплених земель).

 

 

3.3. Моделювання підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів

 

За допомогою ГІС можливо здійснювати моделювання і прогнозування процесів підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів, розповсюдження цих явищ тощо.

Додаткові оцінки приросту площ підтоплення або вторинного засолення земель, швидкості і ступеня розповсюдження цих явищ і процесів можуть бути одержані по класифікованим супутниковим зображенням з використанням різних методів (наприклад, метода нечітких множин). Мова графічного просторового моделювання, програмного забезпечення – потужний інструмент, який дозволяє комбінувати шари інформації, формувати сценарій моделювання (наприклад, небезпеки підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів) і здійснювати перекодировку, що базується на відповідних правилах.

В результаті може бути створена модель еколого-меліоративного моніторингу і прогнозу процесів підтоплення, вторинного засолення і осолонцювання ґрунтів. Використовуючи шляхи об'єднання класифіцированих зображень за ряд років (наприклад, 1990, 1995, 2000, 2005 рр.) створюють карти, які вміщують можливі зміни за цей період часу.

Для оцінки достовірності, походження та величини змін створюються експертні системи. Наприклад, при застосуванні ГІС і технології обробки даних дистанційного зонування для картографування і аналізу небезпеки засолення ґрунтів в Болівії [6] був використаний метод нечітких множин та експертні оцінки. При цьому вірогідність поточних вимірів була визначена за ступенем подоби конкретному зафіксованому виміру. Це дозволяє при вирішенні відповідної задачі поєднати знання з ряду фахових дисциплін (таких, як геодезія, геологія, гідрогеологія, геохімія, гідрологія, ґрунтознавство, гідромеліорація, економіка, інформаційні технології тощо) в базові набори правил.

Експерти в Болівії класифікували вірогідність змін з використанням "коефіцієнта достовірності" в діапазоні от 0 до 1 як: абсолютно схожі (з достовірністю, що дорівнює 1), дуже схожі (0,9), схожі (0,6), схожі і несхожі (0,5), несхожі (0,4), дуже несхожі (0,2), абсолютно несхожі (0). Ці вірогідності включаються в ГІС з використанням правила "Якщо – То" [6]. Моделі дозволяють виявляти природу вивчаємих процесів і тенденції їх змін. Наприклад: всіх показників засоленості ґрунтів, або метаморфізму хімічного складу підгрунтових та дренажних вод.

Вищеописана інформація важлива для прийняття оптимальних управлінських рішень в галузі меліорації і водного господарства та органів землекористування для планування ландшафтно-меліоративних заходів.

Результатами моделювання є карти.

Основними картами гідрогеолого-меліоративних експедицій, які здійснюють еколого-меліоративний моніторинг, є карти рівня підгрунтових вод їх хімічного складу, засоленості (загальної і токсичної) ґрунтів, осолонцювання, меліоративні карти. На практичних заняттях доцільно вивчити особливість цих карт для відповідних зрошуваних масивів, районів, господарств та набути навичок їх використання для розробки еколого-меліоративних заходів.

В прикладі Болівії [6] результатом моделювання є три карти: "східності змін", "природи змін" та "ступеня змін". Ці карти суміщуються з інформацією про ландшафт і створюється карта "небезпеки засолення ґрунтів".

В подібних випадках ГІС забезпечує можливість аналізу всіх даних про ландшафт і процеси, які відбуваються при зрошенні з багаточисельних джерел інформації. Це можуть бути такі дані як: види ландшафту, природна дренованість території, положення рівня підгрунтових вод, ступінь засоленості і осолонцювання ґрунтів, концентрація токсичних солей та їх склад в зв'язку із розміщенням в ґрунтах і ґрунтоутворюючих породах, розподіл типів солей і ступеня засоленості, іонний склад, рН, електропровідність.

Визначення просторової відповідності між всіма вищепереліченими параметрами покращує точність прогнозів. Висока просторова відповідність між ареалами параметрів і ознаками деградації ґрунтів, ідентифікованими на місцевості, дозволяє встановити вірогідність розповсюдження вторинного засолення, осолонцювання та підтоплення на площі, які ще не потерпають від визначених проблем [1].

Таким чином, карти прогнозів небезпеки вторинного засолення, осолонцювання та підтоплення показують території (області), які є вже засоленими, осолонцьованими та підтопленими та, у відповідності з моделлю, мають тенденції до збільшення небажаних параметрів.

 

Питання для самоперевірки по розділу 3:

1. При розробці яких проектів використовуються ГІС в гідромеліорації?

2. Що є основним об'єктом гідромеліорації?

3. Назвіть основний фактор впливу на ландшафт в сухо степовій зоні України.

4. Назвіть основні екологічні проблеми агро ландшафту в процесі зрошення.

5. Що Ви розумієте під термінами: ландшафт, агро ландшафт? Охарактеризуйте умови і фактори формування зрошуваного агро ландшафту.

6. З якою метою треба вивчати історію розвитку і структуру ландшафту?

7. Для чого служать GPS в гідромеліорації?

8. Які організації здійснюють еколого-меліоративний моніторинг зрошуваних земель?

9. Які карти ГІС необхідні в системі еколого-меліоративного моніторингу?

10. Прогнози яких явищ на зрошуваних масивах необхідні для збереження екологічного стану ландшафтів і родючості ґрунтів?