Afteniuk Oleksandr, Gorbachova Liudmyla
Digital maps of statistical characteristics of the duration of ice phenomena and freeze-up on the rivers in the Prypiat basin within Ukraine
https://doi.org/10.15407/conf_UHMI_CGO_2024.002
Гідрологічні карти мають важливе практичне і наукове значення. Перші гідрологічні карти, які відображали розрахункові показники водного стоку річок України з’явилися в 20-х роках ХХ століття. Такі карти створювалися на паперових носіях шляхом ручної інтерполяції і використовувались для аналізу водозабезпеченості промисловості та сільського господарства країни. У ХХ столітті методичні підходи щодо узагальнення і побудови карт просторового розподілу гідрологічних характеристик розвивали такі вітчизняні вчені як Огієвський А.В., Мокляк В.І., Швець Г.І., Онуфрієнко Л.Г., Бефані Н.Ф., Гопченко Є.Д. Найбільша увага приділялася побудові карт, які відображали норми середньорічного стоку води річок, а також максимального стоку весняного водопілля. Разом з цим, у світі у другій половині ХХ століття розпочався інтенсивний розвиток комп’ютерних технологій, а пізніше і програм, які дозволяли працювати з географічними даними, які можна було виразити через координати широти і довготи. Ці програми отримали загальну назву географічних інформаційних систем (ГІС). Поява такого потужного інструменту як ГІС повністю змінило підходи щодо картографування географічних показників у світі, у тому числі, і в гідрології. ГІС забезпечують збір, збереження, обробку, доступ, аналіз, відображення та розповсюдження просторових географічних даних. Окрім цього, вони дозволяють автоматизувати та оптимізувати значну частину трудомістких етапів робіт, що вимагають від виконавців значних психологічних, енергетичних, часових і інших затрат. Завдяки ГІС змінюється відображення просторового розподілу показників від ручного способу нанесення ізоліній на паперових картах на спосіб, що базується на використанні різних видів інтерполяції по регулярній та нерегулярній мережі й створення цифрових карт просторового розподілу показників з різним тематичним наповненням. Сьогодні у світі створено багато різноманітних ГІС серед яких є як комерційні продукти, так і безкоштовні.
В Україні першою спробою побудови цифрових карт просторового розподілу саме розрахункових характеристик водного стоку річок із використанням ГІС ArcInfo та Surfer була робота вчених Українського гідрометеорологічного інституту (УкрГМІ) Войцехович В.О., Лузан Л.І., яку вони опублікували у 1999 році. У цій роботі вперше було побудовано цифрові шари стоку весняного водопілля 1% забезпеченості на річках Українського Полісся. Разом з цим, ця робота мала суттєвий недолік, оскільки гідрологічна інформація, тобто значення шарів стоку було віднесено до гідрологічних постів, а не до центрів тяжіння водозборів річок. Пізніше іншим співробітником УкрГМІ, а саме Горбачової Л.О. цей недолік було усунено і створено цифровий шар центрів тяжіння водозборів річок України, а також базу даних розрахункової гідрологічної інформації (БД РГІ). Зазначимо, що у роботах Горбачової Л.О. вперше було розроблено методичні підходи щодо побудови цифрових карт розрахункових гідрологічних характеристик річок України. Надалі такі методичні підходи розвивались у роботах Коноваленко О.С., Кошкіної О.В., Глотки Д.В., Сокольчука К.І. та ін. Отже, сьогодні ГІС застосовуються у роботах багатьох вітчизняних вчених, а саме Гребеня В.В., Корнієнко В., Лук’янець О.І., Ободовського О.Г., Почаєвець О, Овчарук В.А., Сніжко С.І., Хільчевського В.К., Шакірзанової Ж.Р. та ін., для побудови цифрових карт просторового розподілу різних гідрологічних, гідрохімічних, гідроекологічних показників тощо.
Дослідженням ймовірнісних характеристик льодового режиму річок України, а також їхнім узагальненням і побудовою карт просторового розподілу присвячені праці Дюкель Н.Г., які було опубліковано у 70-х роках ХХ століття. У цих роботах було побудовано паперові карти у вигляді ізоліній для таких характеристик льодового режиму як дати появи стійких льодових явищ та встановлення стійкого льодоставу на річках України і таких статистичних показників як середні дати, середньоквадратичні відхилення і коефіцієнти асиметрії. Разом з цим, карт просторового розподілу тривалості льодових явищ і льодоставу річок не було створено.
Метою даного дослідження є побудова цифрових карт просторового розподілу статистичних характеристик тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип'яті в межах України із застосуванням географічної інформаційної системи ArcGIS.
Басейн річки Прип’ять розташовано на території України та Республіки Білорусь. У межах України довжина річки Прип’ять складає 254 км, а площа водозбору – 68 370 км2. На правобережну частину басейну р. Прип’ять, більша частина якого розташовано в Україні припадає майже 2/3 всієї його площі. Ця частина басейну має 14 правобережних приток, серед яких найбільші Горинь, Стир та Уж. Правобережний басейн річки розташований на Поліссі, для якого характерний низинний рельєф, широкі заболочені річкові долини, позитивний баланс вологи, широке поширення дерново-підзолистих і болотних ґрунтів. Рельєф Полісся являє собою велику рівнину з висотами, які не перевищують 150-200 м. На річках басейну Прип'яті у межах України середні багаторічні дати показують, що поява льодових явищ відбувається у першій половині листопада, встановлення льодоставу – з грудня до початку січня, скресання – з лютого до середини березня, очищення від льодових явищ – переважно у другій декаді березня.
Для побудови цифрових карт тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип’яті у межах України використано такі статистичні параметри як середнє багаторічне значення, коефіцієнти варіації і асиметрії, які розраховано за даними спостережень 29 гідрологічних постів. Цифрові карти створювались у географічній інформаційній системі ArcGIS на основі цифрових шарів з бази даних розрахункової гідрологічної інформації (БД РГІ) відділу гідрологічних досліджень УкрГМІ, а саме гідрологічних постів (Hydropost), водозборів гідрологічних постів (Divide), а також модуля Arc Hydro Tools для ідентифікації річкової мережі басейну Прип’яті у межах України за ЦМВ SRTM HydroSheds та сплайн-інтерполяції (Spline).
Точність побудови цифрових карт тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип’яті у межах України визначалася за розрахованими значеннями середньої квадратичної похибки (RMSE) та середньої відносної похибки.
У роботі із застосуванням ArcGIS побудовано 6 карт просторового розподілу тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип’яті у межах України у вигляді цифрових шарів (рис. 1). Ці цифрові шари побудовано шляхом сплайн-інтерполяції у вигляді ізоліній. Автоматична сплайн-інтерполяція у ArcGIS для побудови цифрових карт дозволяє позбутися суб’єктивних чинників, що значно покращує точність побудови цифрових карт. Сучасні ГІС і методи їх інтерполяції зазвичай дозволяють створювати цифрові карти з точністю близькою до вихідних даних. Отже, розраховані у роботі середні квадратичні похибки (RMSE) та середні відносні похибки побудови цифрових шарів тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип’яті у межах України показують, що точність їхньої побудови дійсно знаходиться у межах точності розрахунків вихідних даних. Побудовані ізолінії статистичних показників тривалості льодових явищ і льодоставу на річках мають плавні форми і, загалом показують фізико-географічну зональність їхнього просторового розподілу.
Побудовані цифрові карти надають загальне уявлення щодо середньої тривалості льодових явищ і льодоставу на річках басейну Прип’яті. Такі відомості можуть використовуватися для практичного застосування, забезпечуючи роботу таких галузей економіки як комунальне, рибне, сільське, транспортне господарство тощо. Разом з цим, такі детальні цифрові карти побудовано вперше і вони також можуть використовуватися для отримання значень середньої тривалості льодових явищ і льодоставу на річках, на яких відсутні спостереження за льодовим режимом. Зрозуміло, що, як було показано ще у 70-х роках ХХ століття у роботах Дюкель Н.Г., на формування льодових явищ і льодоставу річок впливають не тільки зональність розподілу температурного режиму атмосферного повітря, але й індивідуальні особливості річок у пунктах спостережень, а саме водність річок та швидкість їхньої течії. Отже, побудовані карти можуть надавати тільки приблизні значення середньої тривалості льодових явищ і льодоставу на річках, на яких відсутні спостереження. Загалом, для таких річок отримати більш обґрунтовані значення середньої тривалості можливо за річками-аналогами.
Рис. 1. Цифрові карти просторового розподілу статистичних характеристик тривалості льодових явищ (ліворуч) і льодоставу (праворуч) на річках басейну Прип’яті у межах України
Ключові слова: льодові явища, сплайн-інтерполяція, геоінформаційні системи, цифрові карти, Прип’ять