Совершенствование системы экологического мониторинга родников природного парка "Кумысная поляна" города Саратова на основе геоинформационного моделирования

В качестве объектов исследований были выбраны родники природного парка «Кумысная поляна» г. Саратова, наиболее востребованные среди населения города (рис. 1). В качестве инструментального средства геоинформационного моделирования (ГИМ) (моделирование рельефа исследуемой территории, тальвегов родников, процессы фильтрации атмосферных осадков и др.) была выбрана система Matlab, содержащая не только комплект готовых геоинформационных программ (MappingToolbox) с открытыми текстами, но и простой и мощный язык программирования, позволяющий создавать собственные программы.

Рис. 1. Схема расположения исследуемых родников природного парка «Кумысная поляна»: 1 – Свято-Алексеевский; 2 – Лесная республика; 3 – Серебряный; 4 – Восход; 5 – Верхний; 6 – на 8-ой Дачной; 7 – Андреевский, 8 – на 9-ой Дачной; 9 – Богатырский; 10 – Малиновый; 11 - Татарский; 12- Поющий; 13 – в Октябрьском ущелье; 14 – Горный ключ; 15 – Корольков сад; 16 – Рокотовский; 17 – Мочиновский; 18 – Алтыногорский; 19 – Ударник; 20 – Лесной; 21 – Токмаковский

С целью выявления геоэкологических и гидрологических взаимосвязей было проведено районирование исследуемых родников, основой которого послужили гидрологические особенности Латрык-Лысогорского блока, окаймляющего г. Саратов с западной стороны.

Гидрогеологические условия на территории Саратова характеризуются как сложные, что подчеркивается наличием большого количества водоносных пластов и горизонтов, приуроченных к различным по проницаемости породам мезозойского и четвертичного возраста. Водоносные горизонты объединяются в семь основных гидрогеологических подразделений (горизонтов и комплексов): слабоводоносный современный верхне-четвертичный пролювиально-делювиальный горизонт, слабоводоносный нижнесаратовский горизонт, водоносный сызранский терригенный горизонт, водоупорный маастрихтский карбонатно-терригенный горизонт, водопроницаемый локально-водоносный сантон-кампан-ский карбонатно-терригенный горизонт, сеноманский водоносный горизонт, слабоводоносный альб-сеноманский горизонт [1]. Несмотря на большое количество водоносных пластов и горизонтов на территории Саратова, большинство исследуемых нами родников относятся к сызранскому терригенному водоносному горизонту.

Для визуализации результатов анализа гидрогеологических, геоморфологических, а также химико-аналитических и микробиологических исследований, мы разработали в системе Matlab комплекс программ «Родник–eko», включающий в себя программы «Родник–geo» и «Род-ник–group». Программа «Родник–geo» отображает расположение родников ПП «Кумысная поляна» г. Саратова в плане согласно их координатам, а также представление исследуемых источников по отношению к водоносным горизонтам, выходами которых они являются, в двух- (рис. 2а) и трехмерном (рис. 2б) пространстве.

Рис. 2А. 2D-представление родников ПП «Кумысная поляна» г. Саратова относительно водоносных горизонтов. Программа «Родник–geo»

Рис. 2Б. 3D-представление родников ПП «Кумысная поляна» г. Саратова относительно водоносных горизонтов. Программа «Родник–geo»

Для формирования кластеров была разработана программа «Родник–group» в среде Matlab, где отличие между кластерами вызвано расхождениями по тринадцати показателям: физический показатель (дебит); химические показатели (рН, жёсткость общая, сухой остаток, нитраты, хлориды, сульфаты, железо общее, окис-ляемость перманганатная); микробиологические показатели (ОМЧ), антропогенная нагрузка (посещаемость, приближенность транспорта), геологические (принадлежность к водоносному горизонту). При этом группирование родников по количеству анализируемых признаков проводили в двухмерном (рис. 3А) или трёхмерном (рис. 3Б) пространстве, где образование групп родников было весьма наглядно представлено.

Рис. 3А. Результаты группирования родников при помощи разработанной программы «Род-ник–group» в двухмерном пространстве

Рис. 3Б. Результаты группирования родников при помощи разработанной программы «Род-ник–group» в трёхмерном пространстве

Применение разработанной программы кластерного анализа «Родник–group» в среде MATLAB 7.0 показало её высокую эффективность и позволило установить взаимосвязь биоэколо-гических, геоэкологических, морфологических и гидрологических данных по отдельным родникам и системе родников в целом. Выявлено, что на экологическое состояние родника преимущественное влияние оказывают наличие антропогенной нагрузки, обустроенность каптажа, а также присутствие источников загрязнений. Данный подход позволяет разрабатывать и обосновывать природоохранные мероприятия не для каждого родника индивидуально, а для группы родников, сходных по набору характеристик.

Таким образом, в результате проведенного анализа было установлено не только наличие значимых связей гидро- и геохимических условий с отдельными компонентами родниковых вод, но и были выделены 3 группы родников по различиям, как в химическом составе вод, так и в особенностях антропогенного воздействия на участки их расположения. Самый крупный кластер С1 состоит из 12 объектов (Малиновый, Свято-Алексеевский, Серебряный, Татарский, Три богатыря, Андреевский, на 9-ой Дачной, на 8-ой Дачной, Лесная республика, Алтыногорский, в Корольковом саду, Поющий). Родники данной группы характеризуются хорошей обустроенностью каптажа и прилегающей территории, их органолептические, химико-аналитические и микробиологические показатели в пределах нормы. Кластеры С2 (у ДОЛ «Ударник», Горный ключ, Лесной, Рокотовский, Верхний, у ДОЛ «Восход») и С3 (в Октябрьском ущелье, Мочиновский, Токмаковский) состоят из 6 и 3 объектов соответственно, причём в последней группе находятся родники с отсутствием санитарно-защитной зоны, высокой антропогенной нагрузкой, в их числе родник Токмаковский, в котором неудовлетворительное состояние каптажа и выявлены превышения по санитарногигиеническим показателям [2].

Для разработки геоинформационной модели, отражающей геоэкологические особенности участков территорий ПП «Кумысная поляна» с родниками, необходимо было предварительно подобрать методы математического моделирования геоморфологической структуры и рельефа района исследований. Первым этапом ГИМ являлась векторизация растровых карт путем представления рельефа местности в виде горизонталей, триангуляционной и матричной поверхности (рис. 4А-Г). На следующем этапе проведено наложение растровой карты на рельеф, что позволяет наглядно представить картографическую информацию, а также наложить векторные тематические слои на картооснову или представить их значение в форме поверхности (рис. 5). Исходными данными тематических слоев могут являться данные как с растровых (в этом случае производится векторизация), так с векторных (в этом случае производится конвертация форматов через обменные файлы ГИС) карт.

Использование созданных математических моделей позволило произвести комплексный геоинформационный анализ, включая триангуляционное и матричное представление конкретного участка исследуемого рельефа ПП «Кумысная поляна». Моделирование движения водных потоков, питающих родники, по водоносным слоям проводилось с использованием 3D-представления водоносных горизонтов в недрах исследуемой территории (рис. 6).

А

Б

В

Г

Рис. 4. Этапы создания реалистического изображения рельефа Лысогорского массива путём наложения растровой карты на матричную модель местности ПП «Кумысная поляна»: А - сколка горизонталей поверхности; Б - 3D- визуализация сколотых горизонталей; В - триангуляционное представление участка рельефа; Г - матричное представление участка рельефа

Рис. 5. Наложение растровой карты на матричную модель

Рис. 6. Триангуляционное и матричное представление исследуемого участка ПП «Кумысная поляна» с водоносными горизонтами

А

Б

Моделирование движения водных потоков, питающих родники, по водоносным слоям проводилось с использованием 3D-представления водоносных горизонтов в недрах исследуемой территории (рис. 6).

Разработка математических моделей таяния снежного покрова и расчет углов падения солнечных лучей на поверхность основывается на триангуляционном представлении рельефа с вектором-градиентом в центре каждого триангла (рис. 7А-Б). Использование ГИС-технологий позволяет создать наглядные модели местности, отобразить движение водных потоков и депонирование воды в углублениях, а информация ГИС-моделей делает возможным рассчитать реальные параметры гидрологических процессов руслооб-разования, формирования свойств воды в водных потоках [3].

В

Рис. 7. Разработка математических моделей таяния снежного покрова:

А - триангуляционное представление рельефа с вектором-градиентом в каждом триангле (модельный рельеф); Б - совмещение векторного тематического слоя с растровой картой; В - представление угла падения лучей цветом и прозрачностью триангла

Выводы: разработанные методологические подходы к применению IT и ГИС при исследовании территории родников ПП «Кумысная поляна» позволили смоделировать процессы фильтрации атмосферных осадков (снег, дождь) и проникновения загрязнений в родники. Полученные результаты позволили теоретически обосновать генезис родников на исследуемой территории и схожесть механизмов фильтрации атмосферных осадков, а также сделать заключение о единстве химического состава родниковых вод при отсутствии антропогенных воздействий.