Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Исследование закономерностей формирования подземного стока с использованием математико-картографических моделей

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Исследование закономерностей формирования подземного стока с использованием математико-картографических моделей"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ СССР

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В. ЛОМОНОСОВА

На правах рукописи ПРИЛЕПИН Владимир Михайлович

УДК 556.3.01

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПОДЗЕМНОГО СТОКА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИКО-КАРТОГРАФИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 04.00.06 - Гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 1990

Работа выполнена на кафедре гидрогеологии геологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

доктор геолого-минералогических наук, профессор Всеволожский В.А.

доктор геолого-минералогических наук, профессор Зекцер И.С. (ИВП) кандидат геолого-минералогических наук Полканов М.П. (Мингео СССР)

Московский геологоразведочный институт имени С. Орджоникидзе.

Защита диссертации состоится «^¿^^^^Я990 года в /У*9 в аудитории _ на заседании Специализированного Со-

вета Д .053.05.27 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, г. Москва, Лени& ские горы, МГУ, Геологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан 1990 года.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу: 119899, ГСП, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, Ученому секретарю Специализированного Совета, доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.С. Гарагуля.

Научный руководитель -

Официальные оппоненты -

Ведущая организация -

Ученый секретарь Специализированного Совета, доктор геолого-минералогических наук, профессор Л /

Л. С. Га рагу ля

4??2£§льность_теш. Истощение природных ресурсов и ухудшение состояния окружающей среды уже на глобольном уровне очень остро ставит вопросы рациональной обработки огромного объема-геоштфор-мации. Возможности современных ЭВМ и автоматизированных картографических" систем, обеспечивающих создание наиболее совершенных картографических банков данных в настоящее время практически не используются. Это связано с отсутствием специальных методических разработок и алгоритмов, в том числе и в гидрогеологии. Картографирование подземного стока - единственный метод региональной гидрогеологиии, обеспечиваний количественную характеристику формирования ресурсов подземных вод - уке определенное время проводится на основе математических (статистических) мо-двлей, Последнее подготавливает переход к автоматизированному составлению карт подземного стока (с включением данных дистанционного зондирования), что в свою очередь позволит использовать их*'при организации фонового мониторинга подземных вод.

Цель работы заключается в разработке методики применения ма-' тематико-картографических моделей для исследования закономерностей формирования подземного стока /на примере Волго-Кэмского артезианского бассейна/ и достигается решением следуккшх основных аадач; I. Построение модели картографирования величин Яодземного стока и условий его формирования. 2. Анализ существующих алгоритмов построения карт на ЭВМ и создание логической структуры информационного обеспечения (банка данных) для автоматизированного картографирования подземного стока. 3. Оценка применимости методов математико-картографического моделирования (МКМ) для изучения пространственной изменчивости подземного стока и разработка рационального комплекса этих методов. 4. Исследование закономерностей формирования подземного стока ВКАБ с применением методов МКМ. 5. Обоснование соответствующих масштабу исследований способов картографического отображение распределения величин подземного стока и условий его формирования.

Научная новизна работы. Впервые на едином эмпирическом материале для ВКАБ выявлены и количественно охарактеризованы закономерности формирования подземного стока на трех уровнях (региональном, субрегиональном, локальном) и предложены соответствующие способы картографирования.

Найден рациональный комплекс методов изучения и картографического отображения неоднородности распределения величин подземного стока и влияния стокоформирувдих факторов.

Разработана модель банка данных с тестовым характером входящих в него переменных, обеспечивающая освоение методов автоматизированного картографирования многомерной геологической информации.

Объект исследований, исходные материалы и общая методика выполнения работы. В качестве основного изучаемого объекта выбран Волго-Камский артезианский бассейн, занимающий площадь более 725 тыс. км2, для отдельных областей которого в 1986 г. были завершены оценки естественных ресурсов в полумиллионном масштабе, а также составлена сводная карта подземного стока в масштабе 1:1000000 для всей территории ВКАБ. Наличие всех проработок, в которых автор принимал участие, позволило обосновать постановку темы диссертации.

Исходными материалами для работы послужили данные, собранные автором во время полевых работ 1980-1983 гг. в Пермской партии НИЧ кафедры, а также во время работы в фондах и с литературой. Использованы ряды годового, поверхностного, подземного стока по 340 водосборным бассейнам, из них по 72 опорным - ряда наблюдений продолжительностью более 40 лет, а также по 160 водосборам на территории двух листов среднего масштаба. При подготовке количественной информации по условиям формирования подземного стока использовались геологическая, гидрогеологическая, геоморфологическая карты средних и мелких масштабов, карта ландшафтного районирования, карты метеоэлементов.

Работа выполнялась на кафедре гидрогеологии, в лаборатории автоматизации картографии географического факультета МГУ и партиях НИЧ кафедры. Для проведения МКМ содержания карт использовалось программное обеспечение и технические средства, имеющиеся в автоматизированной картографической системе "АКС-МГУ", пакеты программ BMDP (EC-I045), STATGRAPICS, SURFER (IBM). В необходимых случаях использовавшиеся программы специально адаптировались автором.

Апробация работы. Основные положения диссертации освещены в II печатных работах. Результаты исследований докладывались, а

также представлены- в тезисах докладов на конференциях молодых ученых в МГУ (1985-1987), ГГИ (1985), ИБП АН СССР (I98G); на Всесоюзном гидрологическом съезде (Ленинград, 1986); на Всесоюзном съезде инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов (Киев, 1988); на Всесоюзном совещании по рациональному использованию подземных вод (Таллинн, 1989); на Всесоюзных семинарах по гидрологическому исследованию ландшафтов (Иркутск, 1984, 1988); на заседании экспертного совета по гидрологии Госком-гидромета СССР (Валдай, 1989); на семинаре во ВСЕГИНГЕО (1989); семинарах лаборатории автоматизации географического факультета и кафедры гидрогеологии геологического факультета МГУ.

Реализация и практическая значимость работы. Исследования проводились по госбюджетной теме кафедры: "Разработка теории формирования ресурсов подземных вод платформенных структур".

Методические приемы, развитые в работе, использовались при оценке естественных ресурсов ПВ Пермского Приуралья (1985), Волго-Камского артезианского бассейна (1986).

Разработанная методика проведения математико-картографичес-кого моделирования для различных типов ЭВМ может использоваться при решении задач среднемасштабного гидрогеологического картирования и оценки ресурсов подземных вод, а также при организации фонового и локального мониторинга водных ресурсов.

Результаты работы используются в учебном курсе "Практикум по математической гидрогеологии".

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, содержит 148 страницы текста, 4?. рисунка, и 7 таблиц. Список литературы включает 82 наименования.

Автор выражает благодарность научному руководителю, профессору В.А. Всеволожскому за внимание к работе и полезные советы, кандидату г.-м. наук Б.А. Шмагину за поддержку и сотрудничество. Автор отдает должное светлой памяти профессора jC.H. Сербенюка|, содействовавшего организации работы автора в лаборатории кафедры картографии и благодарит сотрудников этой кафедры O.P. Мусина. П,В. Петрова, Ю.В. Свентека за непосредственную помощь в освоении автоматизированной картографической системы. Искренно признателен автор всем сотрудникам кафедры гидрогеологии МГУ, помогавшим в работе над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой глава рассматривается современное состояние проблемы обработки и картографического отображения информации о ресурсах подземных вод.

Последние два десятилетия гидрогеология как и другие науки о земле переживает геоинформационный бум, диктующий необходимость оперативной обработки большого количества данных. Наращивание возможностей интерактивной компьютерной графики, привлечение географических информационных систем (ГМС) стимулировали применение методов автоматической картографии в гидрогеологии (в качестве примеров приведены работы Loucks, Fedra, 1987; Shope, 1987; Illan-gesekare, Brannon, 1984; Flzzl, Sartory, 1984; Seguin, 1988; Kemp-ton, Cartwright, 1984 и др.).

Современный подход к любой тематической карте - применение математико-картографического моделирования (МКМ) /Жуков, Сербе-нюк, Тикунов; 1980/. МКМ - системное сочетание математических и картографических моделей для создания новых карт и расширения области их применения в исследовательских целях.

Обобщение советского и зарубежного опыта гидрогеологического картографирования показывает, что вопросы совершенствования .его принципов и методов постоянно привлекают внимание исследователей, причем следует отметить перспективность использования материалов дистанционного зондирования на современном этапе. Обзоры и анализ этих методов выполнены B.C. Ильиным /1932/, М.М. Василевским и П.И. Бутовым /1937/, М.М. Василевским, П.М. Желтовым, Н.Ф. Пог-ребовым /1939/, И.К. Зайцевым /1945, 1961/, O.K. Ланге /1959/, М.Р. Никитиным /1969, 1971, 1977/, H.A. Мариновым /1969/, A.B. Щербаковым /1966/, Л.Г. Учителевой и Г.И. Пустоваловой /1981/, Margat, /1974/, Anon /1983/, G. Engelen /1984/. Довольно полный обзор отечественного и зарубежного опыта составления гидрогеологических карт опубликован Н.В. Роговской /1981/. Современные тенденции развития картографирования региональных гидрогеологических систем представлены в обзоре Struckmeier W. и др. /1986/, причем подчеркивается необходимость целостного взгляда, учитывающего взаимодействие подземных вод с поверхностными. В обзоре О.И. Гво-здовой /1986/ обобщен советский и зарубежный опыт картографирования состояния и изменения подземных вод в условиях техногенеза.

Обзор применения дистанционного зондирования в гидрологии к гидрогеологии приведен в работах Schmugge Т./1985; 1987/, Зэкцера, Дкамал0ва/1988/, Объедкова/1986/, Садова/1987/ и отражает одно из направлений развития гидрогеологического картографирования, которое может эффективно реализовываться только с использованием МКМ.

Характеризуя современное состояние проблемы картографирования подземного стока и оценки естественных ресурсов подземных вод, отметим большой вклад в постановку этой проблемы В.Г. Глушко-ва, Б.В. Полякова, Ф.А. Макаренко, М.И. Львовича, Б,И. Куделина, Ч. Тейса, Ж. Марга, У. Уолтона, И. Тота и др. Особое место в учении о подземном стоке занимают работы Ф.А. Макаренко и В.И. Куделина, развитие основных положений которого на современном этапе связано с трудами В.А. Всеволожского, Р.Г. Джамалова, И.С.Зекце-ра, И.Ф. Фиделли, Б.А. Шмагина и др. Значимый вклад в обоснование картографирования естественных ресурсов внесли работы гидрологов О.В. Попова, H.G. Ратнер, Б.Л. Соколова.

Во второй главе о методах математико-картографического моделирования и автоматизированном составлении карт подземного стока подчеркивается, что автоматизация в картографировании подземного стока - это отражение закономерностей его формирования, основанное на анализе и синтезе многомерной информации с использованием различных методов МКМ. Методологической предпосылкой применения МКМ к исследованию закономерностей формирования подземного стока является системный подход /В.Б. Сочава, A.C. Девдариани, Антипов, Корытный, 1981; Хаустов,1982; Шмагин, 1982, 1986 и др./.

Подземный сток территории формируется в системе водосборных бассейнов при балансовом взаимодействии с другими элементами гидросферы при изменении состояний физико-географшческой сферы (ФГС). Водосборные бассейны имеют балансово-замкнутые плановые границы; в разрезе положение их границ можно схематизировать в соответствии с нижней границей зоны интенсивного водообмена. Структура входов (осадки и др.) и выходов рассматриваемой системы (стоковые .характеристики), а также их отношений при изменяющихся свойствах ФГС может исследоваться с помощью переменных на основе статистического подхода. Последний обусловлен выборочным характером опробования территории, сложным соотношением границ выделяемых при схематизации элементов гидрогеологического райониро-

вания и водосборных бассейнов, многовариантностью наборов переменных, используемых для описания условий формирования подземного стока. В качестве основной элементарной единицы для любого уровня и масштаба картографирования выступает замкнутый по отношению к смежному водосборный бассейн, значения переменных относятся к центрам "тяжести" водосборов.

Графическое отображение пространственной изменчивости подземного стока в общем виде выразим с-помощью функционала:

М = Р(Х,У,г) + е , (1)

где М - модуль (или другая характеристика) подземного стока (отображаетый изолиниями или картограммой); X = 1(<р, X), У = Дер, К)^ определяют пространственный аспект координации точек на карте (центров "тяжести" водосборов, гидропостов и др.) в зависимости от географических координат <р, к ;

Ъ = Ш^и.,,...,^) (2)

представляет тематический аспект, сопряженный с координатами X, У, т.е. 11,= Г,(ХД), и2= Г2(Х,У) и т.д.; е - некоторая случайная составляющая.

Функции £Д(Х,У) (без учета изменения во времени) описывают класс аналитических (моноэлементных) карт (3 - номер картографируемого показателя от I до р). Функция 1 в (2) описывает структуру взаимосвязей условий формирования подземного стока (дисперсионная, регрессионная, факторная модели и др.) и отвечает классу синтетических (комплексных) карт. Р из (I) и 1 из (2) находятся посредством МКЫ с автоматизированным отображением результатов моделирования.

При отображении информации о подземном стоке, локализованной по п пунктам нерегулярной сети функция и приобретает вид п-мерного вектора: = С (х, ), (х2,у2,и2),...> (хп,уп,ип)]3 . (3) На основе (3) с помощью приемов интерполяции между соседними вершинами регулярной сети проводятся изолинии картографируемого показателя и^. При рассмотрении синтетических карт запись (3) усложняется, т.к. каждой точке (центру "тяжести" водосбора) уже отвечает р - мерный вектор показателей:

I = [(х1,у1,а1),(х2,у2,22),...,(хп,уп,ап)] , (4)

где а± = (и,,...,ир)±, а 1=1,...,п.

Выражение (3) реализует модель, используемую при отображе-

нии пространственного распределения величин подземного стока, и отвечает аналитическим картам. Модель (4) обеспечивает учет комплекса стокоформирующих условий (климатических, геоморфологических, гидрогеологических, ландшафтных) и дискретной природы формирования величин подземного стока. Эта модель отвечает синтетическому картографированию стока. Пространственно-координированная информация, выраженная в цифровой форме согласно (3) и (4), образует логическую структуру БД, служащего для автоматического построения карт подземного стока.

Для формирования и функционирования банков данных необходим комплекс технических средств, включающий устройства цифрования и кодирования (цифрователи, устройства подготовки и ввода данных в ЭВМ и т.п.), средства обработки (универсальные ЭВМ, спецпроцессоры), графопостроители, видеоэкраны и т.д. Перечисленные средства входят в состав "АКС-МГУ", которой пользовался автор.

Характеристика методов МКМ и их применимости для построения карт подземного стока дается о помощью специально разработанной тест-модели базы данных, которая имитирует возможную изменчивость исходных данных реальных гидрогеологических задач. Оцениваются возможности методов скользящего среднего, средневзвешенной 'интерполяции /Мусин, Сербенюк, 1987/, тренд-анализа, сплайн-аппроксимации, крайгинга, используемых при составлении аналитических карт. Применяемые для синтетического картографирования методы факторного анализа (ФА) и кластерного анализа (КА) сопоставляются с методом автоматической классификации /Петров П.В.,1987/. Предлагается совместное использование ФА и КА /Прилепин, 1989/. С помощью ФА изучаются взаимосвязи исходных показателей стокоформирующих условий и выделяются однородные группы многомерных объектов (водосборных бассейнов). КА детализирует и объективизирует разграничение групп, а сочетание этих методов обеспечивает необходимую автоматизацию.

Третья глава посвящена исследованию закономерностей формирования подземного стока Волго-Камского артезианского бассейна. В пределах всего ВКАБ, исследуемого в миллионном масштабе, внимание уделено и отдельным областям, выделенным в результате специальных проработок по гидрогеологическому районированию, а также территории двух листов масштаба 1:200 ООО, расположенных на северо-восто-

ке ВКАБ. Для ВКАБ -на основе стратификационно-балансового подхода проведено выделение балансово-замкнутого. бассейна подземного стока первЬго порядка с. теоретически непроницаемыми гидродинамическими границами /Шмагин, 1979/. Бассейн подземного стока геогидродинамической системы рек Волги и Каш может быть охарактеризован относительно непроницаемыми границами в плане: на востоке и северо-востоке - водоразделы Урала и Тимана, на северо-западе и западе водоразделы для подземного стока приурочены к вершинам Токмовского свода и р. Волге, на юге по возможной линии тока от Урала к Волге. По разрезу - нижняя граница зоны интенсивного водообмена.

Схематизация гидрогеологических условий формирования подземного стока предваряет собственно математико-картографическое моделирование. Изучаемая территория рассматривается как система водосборных бассейнов. Разрез зоны интенсивного водообмена для них может быть схематизирован отдельными типами геофильтрационных сред /Всеволожский, 1984/, причем в зависимости от уровня (масштаба) исследований {региональный, субрегиональный, локальный) будут получены соответствующие элементы районирования (регион формирования подземного стока (ФПС), области и районы ФПС с различными типами геофильтрационных сред, районы, подрайоны и расчетные участки ФПС с различным сочетанием типов геофильтрационных сред). Геофильтрационное строение зоны интенсивного водообмена изучаемой территории представлено следующими типами: поровых рыхлых неоген-четвертичных отложений; трещинно-поровый тип слабосце-ментированных частиц триасово-юрских терригенных отложений; тре-щинно-поровый тип преимущественно терригенных отложений татарского, казанского и уфимского ярусов верхней перми, отложений триаса, а также отдельных прослоев кунгурского и артинского ярусов перми; трещинно-карстовый тип карбонатных отдельных прослоев и пачек казанских, уфимских й верхнекаменноугольно-нижнепермских отложений.

Исследование взаимосвязей условий формирования ПС для всей территории ВКАБ и отдельных элементов районирования и выявление неоднородности распределения величин ПС для каждого из трех уровней реадаауеадй.-решением 2 групп задач: (I) - определение роли основных природных условий ФПС на территории. ВКАБ исходя из всего набора описывающих их переменных; - выявление структуры связей

выбранных переменных между собой и с характеристиками ПС (модулем и др.); - выделение групп водосборов со сходными условиями ФПС; - получение прогностических зависимостей распределения модуля ПО от выбранных пременных для всей исходной совокупности водосборов и для выделенных групп;

(II) - изучение неоднородности распределения величин ПС: а) по опорным водосборам, б) по всем 340 водосборам ВКАБ; в) по 160 водосборам территории двух листов 1:200000 масштаба; - в зависимости от площади водосборов; - в зависимости от геофильтрационного строения разреза зоны интенсивного водообмена; - с учетом всего массива гидрологических данных (540 рядов, включая и по частным водосборам) для всех используемых таксонов гидрогеологического районирования.

Для решения задач каждой группы сформирован банк данных, содержащи&лметрическую информацию (оцифрованные контуры водосборов, координаты их центров "тяжести", оцифрованные контуры изучаемой территории и границы гидрогеологического районирования) и тематическую информацию по опорным водосборам (66 количественных показателей). В задачах первой группы используются методы построения синтетических карт, второй группы - методы построения аналитических карт ПС, реализуемые на "АКС-МГУ" и на IBM PC (SURFER).

§_2&1§ЁЕ22й_главе проводится гидрогеологическая интерпретация математико-картографических моделей условий формирования и пространственного распределения величин подземного стока ВКАБ. Мелкомасштабная синтетическия карта-схема представляет факторную модель взаимосвязей условий ФПС. Структура взаимосвязей 17 переменных отражена 4 факторами, учитывающими 77% их общей дисперсии. Первый фактор (группа переменных) отражает влияние климатических, геоморфологических условий, второй - температур воздуха и высоты водосборного бассейна, третий и четвертый - характеристик водного режима и амплитуды колебаний уровня рек. По значениям двух первых факторов выделены группы водосборных бассейнов, в обособлении которых проявилась значимая роль гидрогеологических условий (регионы формирования подземного стока) и типов растительности (бореа-льный, суббореальный и смешанный).

Аналитическая карта модуля ПС в изолиниях, построенная по всем 340 водосборам ВКАБ сопоставлена с картой тренда I порядка,

который отражает влияние на распределение величин ПС климатической зональности (соответствует поверхности первого фактора указанной выше модели). После расслоения исходной выборки по величинам площадей водосборов (более 10 ООО км2, 10 ООО - 1000 км2, менее 1000 км2) показано, что плавный характер изолиний модуля для больших водосборов соответствует климатической зональности. Изолинии модуля для средних водосборов в целом отражают ту же неоднородность, которая присутствует на карте модуля для всех 340 створов. Изолинии модуля для малых водосборов говорят о существовании гидрогеологической неоднородности более высоких порядков.

На основе графиков связи модуля ПС с площадью водосборов выбрана группа из 176 водосборов с площадью 500-5000 км2 для изучения распределения ПС по каждому из пяти элементов районирования (области ФПС с развитием одного из типов геофильтрационных сред). Эти водосборы представляют весь фактический материал по ВКАБ, причем удается пренебречь влиянием малых водосборов (менее 500 км2, учитываемых при детальных исследованиях) и больших, несущих информации о климатической зональности ФПС. Изолинии модуля ПС показали характерное его распределение в пределах каждого из элементов. По 160 водосборам площадью менее 500 км2 (139 из них с площадью менее 100 км2) на территории двух листов 1:200000 масштаба изолинии модуля отразили местоположение аномальных участков ФПС, что можно использовать при поиске месторождений подземных вод.

В пятой главе излагается методика автоматизированного построения карт подземного стока.

Традиционный подход к карте как наиболее совершенному средству обобщения, хранения и представления информации (массовой, многомерной и часто разрозненной) и как к инструменту исследования гидрогеологических процессов и явлений /Никитин, 1977; Роговская, 1981/ должен быть дополнен и развит с учетом опыта использования формализованных методов и достижений в интерактивной компьютерной графике. На современном этапе карту ПО следует рассматривать как пространственную образно-знаковую модель реально существующих гидрогеологических структур и как соответствующую этой модели информационную систему, хранящуюся в памяти ЭВМ. Это специальная гидрогеологическая карта, выступающая одновременно в аналитическом и синтетическом видах. В первом случав

ее основным содержанием является информация о пространственном распределении одной или нескольких количественных характеристик ПС, во втором - о взаимосвязях стокоформирующих условий. Содержание карты ПС определяется полнотой-сформированного банка данных с реляционной структурой. Заключение о достоверности созданных аналитических карт ПС делается при сопоставлении карт, получаемых на основе крайгинга, с картами, построенными другими методами интерполяции. Достоверность синтетических карт ПС определяется долей общей дисперсии исходных переменных, учитываемой канкретной факторной моделью.

Этапы автоматизированного составления карт ПС включают: I) перевод исходных карт в цифровую форму и создание БД; 2) матема-тико-картсграфическое моделирование; 3) перевод результатов моделирования в аналоговую форму в виде карт. Содержание этапов поясняется схемой (рис.1).

Кроме программного обеспечения, развитого для "АКС-МГУ", при получении математико-картографических моделей условий формирования и пространственного распределения величин подземного стока, можно эффективно использовать пакет программ SURFER (Golden Software 1989), совместимый с IBM PC-XT/AT и предназначенный для создания изолинэйных карт и трехмерных поверхностей по нерегулярным точечным данным. IBM PC в соединении с цифрователем и цветным плоттером может рассматриваться как мини-АКС. При отсутствии циф-рователя данные вводятся в виде трехмерных матриц (два вектора-столбца координат и один - значений картографируемого показателя). Вместо цветного плоттера удается успешно применять обычный (монохромный) точечный принтер. Совместное использование на IBM PC пакета SURFER с имеющимся в обеспечении пакетом STAIGRA-PHICS (STSC, Inc. 1988) позволяет реализовать необходимый комплекс методов МКМ.

Закономерности формирования подземного стока, представленные в общем виде системной моделью условий формирования ПС, раскрываются комплексом математико-картографических моделей. Последние создаются для каждого из трех выделенных уровней ФПС с допущением, что на региональном уровне неоднородность распределения величин ПС обусловлена сложным взаимодействием климатических, геоморфологических и гидрогеологических условий, а на субрегиональном и

to

/! / !

/ /г / /. . / /. . / /.

I

БАНК ДАННЫХ

:7! ===> / <— /. /.. /... ----77 ГГ."

блок m

исходных данных

II

III

/! / ! 7'

БЛОК (2) вспомогательных карт

IV

. ....

ч' /

/! БАНК МОДЕЛЕЙ И КАРТ /! / ! / ! / /0000000007 i ===> /ЯЯЯаЯ5йй7й7! / /000000000/+! < — /ЯЙЙЙЙЙЙЙ/Й/8! / /000000000/++! /ИЙЙЙЙЙЙЙ/Й/«»! / /000000000/+++ /йййййййй/й/###! 7 ¡ГОСШК7(ГСГ /Т+V* Т----7 ПЯЯЯЙ Я В ЯЯ1 /»*#«!

-----------+++++!

БЛОК (3J !++ + ♦+!

'+ ++++ i

МКМ

IV

!+++++! \ ++t++! !++++/ " !+ + + / !++/ V !+/

-----------!««*#*!

! БЛОК !4) !####»! ! итоговых llttttS»!

карт

!#####! !#»»»»!

!»»»#/ !###/ !##/ !#/ ! /

"vi0

"7 - 1

4 - 5 70D00ÖT - 6 "[»»ПИП - 7 1SS5887 - 8

Рис.1 Схема автоматизированного составления карт стока и виды задач при организации мониторинга водных ресурсов.

м>

1 - подготовка исходных данных из различных источников, цифрование исходных карт

ОПЕРАЦИИ В БЛОКБ

Ш ... (3) 3 - привязка, масштаои- 5 - выбор моделей и ме-рование,кодирование, тодов, визуализация ре-графическое воспроизве- зультатов моделирования, дение цифровой информа- разработка легенды ции (визуализация)

С0ДЕР1АНИЕ БЛОКА

(4)

7 - генерализация, компоновка, оформление карт

2 - базы цифровой информации: координаты географической основы и специальное содержание карты

4 - исходные карты' {оцифрованные} и специально выстраевкгемые карты условии и г.п.

а - аналитические и синтетические карты

6 - математические и вероятностно-статистические модели пространственного распределения картируемых величин

ВИДЫ ЗАДАЧ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ МОНИТОРИНГА ВОДНЫХ РЕСУРСОВ

I - формулирование цели исследования; II - схематизация объекта исследования: III - создание банка данных! IV - проведение математико-картографического моделирования <МКМ); V - интерпретация и верификация полученных моделей; VI - практическое использование результатов моделирования (водный кадастр, фоновый и локальный мониторинг)

особенно локальном уровнях - только гидрогеологическими условиями. Каждому уровню исследования закономерностей отвечает определенный набор карт, составляемых изолинейным и/или картограммным.способом.

- Основ™® _?УВоды.

- -I. Предлагается методика исследования закономерностей формирования подземного стока, которая обеспечивает составление карт на ЭВМ и их модернизацию при получении новых данных и включает:

- создание информационного обеспечения (на основе модели, задающей структуру данных по характеристикам стока и условий его формирования как для опорных водосборов с многолетними наблюдениями за стоком, так и по основной массе водосборов с короткими наблюдения™);

- математико-картогрвфическое моделирование для выявления роли стокоформирующих факторов и неоднородности распределения величин подземного стока; - построение карт двух типов: синтетических, отображающих взаимосвязи условий формирования подземного стока, и аналитических, показывающих распределение картографируемой величины подземного стока (ПС).

2. С использованием разработанной методики для территории ВКАБ выявлены закономерности формирования ПС трех уровней. На региональном уровне (площади анализируемых водосборов более 10 тыс. км2, средние значения модулей ПС 1,38+0,62 л/сек.»км2) проявляется зональная изменчивость величин ПС, обусловленная главшм образом влиянием климатических и геоморфологических условий. На субрегиональном уровне (площади водосборов - 1-10 тыс. км2, модули ПС - 1,28+0,88 л/сек.-кмг) выявлена зональная и азональная изменчивость ПС, причем последняя связана с влиянием типа геофильтрационного строения разреза зоны интенсивного водообмена. Для выделенных на этом уровне пяти областей формирования ПС ^получены следующие средние значения модулей (в л/сек.»км2): область в южной части ВКАБ с преимущественно трещинно-поровым и поровым типами -0,30+0,28; две области центральной части ВКАБ соответственно с трещинно-карстовым типом и чередованием последнего с трещинно-поровым типом - 1,02+0,62 и 1,37+0,49; область на северо-западе ВКАБ с трещинно-поровым и поровым типами - 1,23+0,75; наконец, область на восточной окраине ВКАБ со сложным сочетанием трещинно-карстового, трещинно-порового и порового типов - 2,17+1,24. На

локальном уровне (площади водосборов - менее I тыс. км2, средние модули ПС - 1,18+0,99 л/сек.«км2) кусочно-однородная изменчивость

величин ПС в наиболее широком из рассматриваемых уровней диапазо-

р

не от 0,03 до 7,50 л/сек.*км определяется в основном типом строения зоны аэрации.

3. Разработан рациональный комплекс методов математико-карто-графического моделирования: для получения синтетических карт наиболее эффективно применять факторный анализ в комбинации с кластерным анализом; для составления аналитических карт - крайгинг в сочетании со сглаживающим кубическим сплайном, что дает наиболее достоверные результаты.

Синтетические карты необходимо составлять на региональном уровне (масштаб мельче 1:1 000000) по опорным водосборам для обоснования районирования изучаемой территории и выбора водосборов-аналогов для Гидрологической приводки массового фактического материала. Аналитические карты - для выявления неоднородности формирования ПС начиная с регионального через субрегиональный к локальному уровню (масштабы от 1:1 000000 до 1:200000) по всем водосборам с последующим расслоением исходной выборки по величинам площадей водосборов и с учетом выделенных элементов районирования. Окончательная карта ПС представляет собой комбинацию синтетической и аналитической, реализуемую и обновляемую на ЭВМ.

4. Обоснованы способы картографического отображения подземного стока, соответствующие выявленным закономерностям его формирования на изучаемой территории. При картографировании подземного стока артезианских бассейнов платформенного типа для масштабов 1:10 ООО ООО - 1:1 ООО ООО рекомендуется изолинейный способ, 1:1 ООО ООО - 1:500 ООО - комбинированный (изолинейный и картограмма), для масштаба крупнее 1:500 ООО - картограммный способ отображения.

5. Специально созданная модель банка данных с тестовым характером входящих в нее переменных обеспечивает освоение методов автоматизированного картографирования многомерной информации и внедрение разработанной методики в практику гидрогеологических исследований.

Направления дальнейших.исследований связаны с: - разработкой

вопросов оценки представительности опробования изучаемой территории для водосборов различных площадей с переходом от мелко- и среднеМасштабных к крупномасштабным исследованиям до уровня месторождений подземных вод; - развитием методики применения мате-матихо-картографичееких моделей для решения задач средне- и крупномасштабного гидрогеологического картирования, оценки ресурсов и организации фонового и локального мониторинга подземных вод.

Основное содержание диссертации опубликовано в II работах:

1. Учет гидрогеологических условий яри факторно-регрессионном моделировании подземного стока в Пермском Приуралье. - "Вопр. гидрологии суши. Докл. Конф. мол. ученых и спец. Гос.гидрол.ин-т, Ленинград, февраль 1985". Л., 1988, с. 185-190.

2. Результаты факторно-регрессионного моделирования условий формирования подземного стока Московского и Волго-Камского артезианских бассейнов. - В кн.: Гидрологические исследования ландшафтов. Новосибирск, Наука, 1986. с. 119-131. (В соавторстве с Б.А. Шмагиным и др.).

3. Вероятностные модели условий формирования подземного стока. //Тр.У Всес. гидрол. съезда. Ленинград, 21-24 окт., 1986. Т; 6. -Л., 1989. с. 66-72. (В соавторстве с Р.П. Кочетковой и др.).

4. Некоторые вопросы применения факторного анализа при решении гидрогеологических задач. В сб. :"Гидрогеол. Материалы XIV научной конф. мол. учен, и асп. геол. ф-та МГУ, Москва, 27 марта 1987", М., 1987, с. 69-80. Библиограф. 18 назв. (Рукопись деп. в ВИНИТИ 25.06.87 Деп. N 4634-387).

5. Автоматизированное построение карт подземного стока. - В сб.:"Гидрогеол. Материалы XV научной конф. мол. учен, и асп. геол.ф-та МГУ, Москва, 4 апр. 1988", М., 1988, (Рукопись деп.в ВИНИТИ 03.08.88 Деп. N 6247- В88),с.38-51. (В соавторстве с П.В. • Петровым).

6. Изучение пространственно-временных закономерностей формирования ресурсов подземных вод Московского и Волго-Камского артезианских бассейнов. - "Тез.докл. I Всес. съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев, 10-14 окт. 1988". Часть 4. Киев: Наук.думка, 1989. с.121-123.(В соавторстве с Р.П. Кочетковой и др.).

7. Применение автоматизированной картографической системы для создания гидрогеологических и инженерно-геологических карт. -"Тез.дйкл. I Всес. съезда инженеров-геологов, гидрогеологов и геокриологов. Киев, 10-14 окт. 1988". Часть 4. Киев: Наук.думка, 1989. с. 18-20. (В соавторстве с М.И. Богдановым).

8. Совместное использование факторного и кластерного анализа при типизации условий подземного стока. - В сб.:"Применение мат. методов и ЭВМ при обраб. информ. на геол-разв. работах" - Тез. докл. на VI Уральской науч.-практ. конф., 14-18 окт.1989, Челябинск, 1989. С. 78-80.

9. Программное обеспечение решения задач статистического анализа данных на ЭВМ. - В кн.: "Статистические методы решения гидрогеологических задач на ЭВМ" - М.,1989. с. 52-63, 150-172. (В соавторстве с С.М. Чесаловым).

10. Использование математнко-картографических моделей пространственно-временной изменчивости речного стока при.организации мониторинга водных ресурсов. - Тез.докл. III Всес.науч.-техн. конф. "Образный анализ в управлении, науч. исслед. и системах обучения" (4-8 марта 1990 г., г. Суздаль). M.r 1990. с. 86-88.

11. Использование тест-массива для обучения автоматизированному картографированию многомерной геологической информации. - Тез. докл. III Всес. науч.-техн. конф. "Образный анализ..." (4-8. марта 1990 г., г. Суздаль). М., 1990. с. 88-90. (В соавторстве с Б.А. йлагиным).

Размножено в ИГвРГИ

Т-05993. Подписано в печать 26/ 1У 1990 г. Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 72.