Геодезия

ХИДРОГРАФНИ ДЕЙНОСТИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ И МОНИТОРИНГ НА БИОРАЗНООБРАЗИЕТО ВЪВ ВИСОКОПЛАНИНСКИ ЕЗЕРА

 

ХИДРОГРАФНИ ДЕЙНОСТИ ПРИ ИЗСЛЕДВАНЕ И МОНИТОРИНГ НА БИОРАЗНООБРАЗИЕТО ВЪВ ВИСОКОПЛАНИНСКИ ЕЗЕРА

Доц. д-р инж. Борислав Александров, УАСГ, Геодезически факултет

E-mail: alekb_fgs@uacg.bg;

инж. Ева-Мария Стоянова

(stoyanova_em@abv.bg)

                Анотация

Статията е посветена на първите хидрографни измервания във високопланински езера в Република България посредством съвременни геодезически технологии и апаратура. С помощта на хидрографен комплекс, включващ GPS оборудване и ехолот, монтиран на специализирана лодка, е извършено заснемане на дъното на Каракашевото езеро, в близост до х. Мусала, Национален парк „Рила”.

Създаденият цифров модел и анализите, свързани с резултатите са предназначени за изследване и мониторинг на биоразнообразието във водна среда при екстремните климатични условия на високата планина.

                Въведение

                Езерата във високопланинските части на Рила са следствие от екзарационната ледникова дейност през кватернерния период. Това е период от историята на Земята, в който се проявяват колебателни движения на земната кора в континенталните области, довели до осъвременяване на релефа на сушата и морските басейни. Приблизително тогава е и времето когато се променя нивото на световния океан, понижава се температурата на водата и започва заледяване в средните ширини на Северното полукълбо. Плейстоценът се счита за период на обширно заледяване в континенталната част на Европа, като според учените ледниците са покривали голяма част от Германия, Англия, дори до р. Днепър в европейската част на Русия. Плейстоценското заледяване довежда до образуването и на езерата в планините Рила и Пирин.

                В резултат от ерозионно-акумулативната дейност на ледниците се образуват вдлъбнатини в земната повърхност, които се запълват с вода, а пренасяният материал се оформя като каменни реки, или морени. По този начин са възникнали високопланинските езера както у нас, така и в Алпите, Кавказ, Северна Европа, Канада, САЩ.

               

                1. Характеристика на високопланинските езера

                В Национален парк „Рила” са описани около 230 езера, от които 189 циркусни, а останалите са с тектонски произход. Най-известната група езера са Седемте рилски езера, уникален природен феномен, красив и безценен орнамент на най-високата планина у нас. Съществуват и други групи езера, които отстъпват на Седемте единствено по големината и броя им в групата, например Мусаленските, Урдини, Вапски, Маричини, Карааланишки и др.

                За да бъде причислено едно езеро към високопланински тип, то трябва да е на височина над 2000 метра. Характерно за тях е, че са малки по площ – до няколко десетки декара при най-големите, но с дълбочини, надхвърлящи понякога 40 метра.

                Водната среда е определящ фактор, поради вариациите на изграждащите я компоненти, което влияе на нормалното развитие на екосистемите в и извън нея. На базата на много проучвания и експерименти са установени конкретни нива на хидрофизичните и хидрохимичните й параметри във високопланински езера.

                Електропроводимостта на водата достига до 40 микроS/см, а активната реакция (pH) е в границите 6.0-7.5. За рилските езера тя е отчетена между 6.0 и 6.8 в слоеве на хоризонти 0.5 и 10 м от повърхността към дъното.

                Средната температура на водата обикновено е 10 – 14°С през летните месеци, а данните за останалите са непълни, но през зимния период езерата обикновено са замръзнали. Температурният диапазон е между 0 и 16.5°С, като през месец юли се достига максимумът, а до април във всичките високопланински езера водата е 0°С. Забелязва се термична стратификация, характерна за определени месеци.

                Специфична особеност на водата в езерата е нейната висока прозрачност, което е и вследствие на суровите природни условия. Тя е със сходно съдържание на газ и е наситена с кислород по цялата си дълбочина. През летните месеци в най-горните и най-долните слоеве се забелязват високи количества разтворен кислород (8.3 – 10.2 mg/l, или над 85%), като през юни и юли насищането достига 100%.

                2. Постановка на изследването

                2.1. Обща характеристика на обекта

                Предмет на настоящите хидрографни изследвания е едно от езерата в Мусаленската група – Каракашевото езеро.

                Разположено в близост до хижа Мусала, Каракашевото езеро (42°19´45″ с.ш. и 23°58´32″ и.д.) се явява третото от групата мусаленски езера: Мусаленско, Малкото, Каракашевото, Четвъртото мусаленско, Алековото, Безименно и Леденото. Най-ниско е Мусаленското – с надморска височина 2389 м, а най-високо – Леденото (2709 м н.в). Общата площ на седемте езера е приблизително 98 дка, като най-голямо е Каракашевото – 26.5 дка. Дълбочините варират от 0.5 м при малкото езеро до х.Мусала, до 16.5 м в най-високо разположеното Ледено езеро.

                Релефът в района е подчертано алпийски, с остри, насечени била и върхове, каменни сипеи, множество циркуси. Растителната покривка е представена предимно от тревисти, полухрастови и храстови видове.

                Геодезическите и хидрографни работи са извършени на 15 юни 2014 г.

                2.1. Геодезически и хидрографни измервания

                Геодезическите измервания включват:

– създаване на работна геодезическа основа;

– привързване на стабилизираните около езерото точки от РГО към Държавната ГНСС мрежа;

– ГНСС измервания за определяне координатите на подробните точки от хидрографната снимка;

– ГНСС измервания за определяне координатите на точките по бреговата линия;

– определяне надморската височина на водното огледало към момента на измерванията.

                Хидрографните измервания включват:

– определяне корекциите на ехолота;

– измерване и запис на дълбочините на подробните точки.

                Допълнително са взети водни проби от различни дълбочини за изследване физическите и химични параметри на водната среда.

                За извършване на всички изброени дейности са използвани двучестотни GPS приемници Leica System 900 и хидрографен комплекс GPSMAP521 със стеснен обхват на излъчване, монтирани на надуваема лодка тип „Зодиак”, както и метеорологично оборудване на брега.

                Първият етап от подготвителните работи включва създаване на работната геодезическа основа в близост до водната повърхност. Избрани са местата на две геодезически точки и са стабилизирани със специални метални пирони в основна скала, далеч от използваните туристически пътеки. По този начин се предполага тяхното дълготрайно съхраняване за периодични геодезически измервания.

                За определяне координатите на референтните станции (1000 и 2000) са позиционирани два ГНСС приемника, с цел привързване на измерванията към Държавната ГНСС мрежа чрез съвместна обработка с данни от перманентна станция SOFI. Впоследствие единият приемник остава като референтен, а другият се монтира на снимачния съд, в една ос с антената на ехолота. Така се избягват необходимите корекции за привеждане на координатните определения към дълбочинните.

sofi Фиг. 2. Привързване на референтните станции с Държавната ГНСС мрежа

Извършено е и височинно привързване на работната геодезическа основа към ДГМ и са определени височините на референтните станции, спрямо които е изведена височината на водното огледало към момента на измерванията.

visochiniФиг. 3. Определяне височината на водното огледало

                Следващият етап е координиране на водната линия и запис на точките в подвижния приемник.

DSC00485 Фиг.4. Координиране на границата на водното огледало

                След приключване на геодезическите дейности на брега се пристъпва към подготовката за хидрографното заснемане на подробните точки от дъното.

                Извършва се цялостно оборудване и проверка за готовност на снимачната лодка, както и на екипажа й. Лодката е спусната на вода и стартира работата по тариране на ехолота. Направена е поредица от едновременни измервания на различни дълбочини с ехолот и механичен лот за извеждане корекцията на ехолота.

H [fut]

H [m]

H[fut]=H` [m]

∆ = H`-H[m]

1

15.50

4.72

4.72

0.00

2

10.00

2.98

3.05

0.07

3

14.40

4.26

4.39

0.13

4

7.80

2.32

2.38

0.06

5

6.80

2.00

2.07

0.07

6

5.10

1.49

1.55

0.06

7

3.50

1.08

1.07

-0.01

Табл.1. Част от измерените при тарирането на ехолота дълбочини

При изчисляването на разликите е съобразена и дълбочината на потапяне на сондата. Получените от ехолота стойности са коригирани с 24 cm, за да се получат действителните дълбочини до дъното. Данните, свалени от хидроакустичната апаратура са във футове, поради точността, заложена в нея.

tariraneФиг. 5. Тариране с механичен лот

След като е приключено тарирането, поставени са настройките на ехолота, както и параметрите на запис на ГНСС апаратурата, се пристъпва към изпълнение на предварително проектираните галсове, като лодката последователно ги проследява. Поради силно влошени метеорологични условия изпълнените галсове не се покриват напълно с проектираните, но получената информация за дълбочините е достатъчна за вярна интерпретация на данните и създаване на реален модел на дъното на езерото. За много кратко време метеорологичната обстановка се промени коренно, като от 23 С и северен вятър със скорост 1 м/с, за по-малко от два часа настъпи спад на температурата с почти 10 градуса, неколкократно усилване на вятъра, придружени от интензивен валеж и гръмотевична дейност.

Последният етап от работата в езерото е добиването на водни проби и видеозаснемане на част от дъното. Трудността на този етап е крайно ниската температура на водата, варираща от 4.3 до 5.6 градуса, което дори и при използваната екипировка се явява изключително рисков елемент за човешкия организъм.

Взети са водни проби от повърхността на водата и от дълбочини до 2 метра, чрез спускане до дъното. Целта на изследването на физико-химичните параметри на водата е установяване нивата на различни химични елементи в нейния състав. Наличието или дефицита на такива, би било предпоставка за развитието на различни представители на хидрофлората и хидрофауната или причина за отсъствието им. Анализирането на състава на водната среда е част от мониторинга на биоразнообразието и биобаланса в нея.

Взетите проби са изследвани в лаборатория “Химия на почвите” при УАСГ, с ръководител доц. М. Мондешка. Установено е следното:

                                                                                                                                                             Табл. 2

№ на пробата

рН

ЕС5, (mmhos/cm)

Cl ,

качествено

NaCO3

качествено

SO42-,

качествено

1 (от повърхността)

2 (от дълбочина 1,75m)

6.05

6.07

0,01

0,01

не съдържа хлориди

не съдържа хлориди

не съдържа сода

не съдържа сода

не съдържа сулфати

не съдържа сулфати

 

От получените резултати може да се направи извод, че нивата на активната реакция са в рамките на установените за водите във високопланинските езера- 6.00÷7.50, дори са минимални. Няма съдържание на хлориди и сулфати.

Направено е и заснемане на езерото с помощта на подводна камера, осигуряваща достатъчно качествена информация. На филмовия материал се забелязва наличието на малки частици във водата, което може да се дължи на неразтворен кислород или наличие на зооценоза, данни, които са от полза на биолозите, като насока за евентуални специализирани изследвания. На снимките се вижда характерната за ледниковите езера прозрачност на водата, както и споменатите по-горе смущения на образа.

duno1

duno2Фиг. 6. Снимки от подводното фотографиране

3. Обработка на данните и създаване на цифров модел

След приключване на дейностите във водата, се пристъпва към прехвърляне на записаните данни от ехолота и ГНСС приемниците, и последващата обработка за тяхното филтриране. От обработката на ГНСС измерванията и привързването им към Държавната мрежа, са получени координатите на водната линия и на подробните точки от хидрографната снимка. Ехолотните измервания са изчистени от паразитни дълбочини, като са оставени само информативните, от основните и контролните галсове. Дълбочините на пресичанията им показват пълно сходство, което е гаранция за надеждността на измерванията.

На фиг.7 и фиг. 8 са показани извадки от файловете с измервания на координати и дълбочини.

tochnosti

Фиг. 7. Координати и точности на измерените точки от снимката

Track propert

Фиг. 8. Данни от ехолотните измервания

Табл. 3. Точност на подробните точки от дъното

X

dX

Y

dY

Z

dZ

dP

dH

dP+dH

5011

4338747.179

0.0302

1894674.78

0.0191

4263189.843

0.0345

0.0229

0.0441

0.0497

5012

4338748.321

0.0113

1894671.066

0.0067

4263190.302

0.0123

0.0073

0.0164

0.0180

5013

4338751.333

0.0114

1894668.258

0.0068

4263188.513

0.0124

0.0074

0.0166

0.0181

5014

4338754.439

0.0118

1894667.119

0.0070

4263185.876

0.0128

0.0076

0.0171

0.0187

5015

4338757.433

0.0097

1894666.676

0.0057

4263183.055

0.0105

0.0062

0.0141

0.0154

5016

4338760.276

0.0104

1894665.641

0.0062

4263180.638

0.0113

0.0067

0.0151

0.0165

5017

4338762.451

0.0100

1894666.316

0.0060

4263178.165

0.0109

0.0065

0.0146

0.0160

С така изчислените и синхронизирани координати и дълбочини е създаден 3D-модел на дъното на Каракашевото езеро, на базата на който е осъществен анализ за природните условия за съществуване на зообентоса във високопланинско езеро.

Наложилият се метод за създаване на цифров модел на релефа е този на крайните елементи (МКЕ). Основната му идея е, че изменението на всяка непрекъсната величина може да се представи посредством дискретен модел, създаден с помощта на множество частично непрекъснати функции в определен брой достатъчно малки, но крайни елементи с подходяща форма. Крайните елементи имат форма на триъгълник, правоъгълник и квадрат и не се пресичат по между си.

В графичната среда на “AutoCAD Civil 3D 2011” е извършено цялостното моделиране на данните от измерванията. Създадени са два нерегулярни цифрови модела – единият изобразява релефа на дъното на езерото, а другият запълнената водна маса в циркуса му. При първия, повърхнината е изградена от данните съдържащи координатите на точките с измерени надморски височини, докато при втория същите са заместени с дълбочини.

neregulqren

Фиг. 9. Нерегулярен цифров модел на дъното

horizontali

Фиг.10. Цифров модел на езерното дъно

На база създадените модели е изработен план на дълбочините в М 1:1000 (фиг. 11):

karta

Фиг.11. Топографски план на дълбочините

С цел получаване на максимално близко подобие на действителния модел на езерото са използвани функциите за пространствено моделиране на програмата „Surfer”. Създадени са няколко 3D модела на релефа на езерното дъно, като са завъртяни под определен ъгъл за да се постигне по-добра пространствена визуализация.

model1Фиг. 12. 3D модел на дъното

model2Фиг. 13. 3D модел на дъното с текстура (завъртян)

4. Анализ на резултатите

Идеята на цялото научно изследване обвързано с мониторинга на биоразнообразието във водната среда на езерото е посредством геодезически похвати да се добие визуална представа за геометричните му параметри, като това става с помощта на създадения цифров модел на релефа на дъното.

Тъй като има фактори, свързани с геометрията на езерото, влияещи на развитието на биоорганизмите и благоприятстващи за създаването на условия за живот, то извършените дейности помагат на биолозите да установят в коя негова част, на каква дълбочина, площ и в какъв воден обем съществуват форми на живот. При наличие на данни за конкретни таксономични единици, може да се установи разположението на хабитатите им.

По данни от извършени измервания на територията на рилските езера е открито видово разнообразие на зообентоса, като анализите, които предстои да се направят относно геометричните характеристики, ще са полезни за по-цялостното им и качествено изследване, както и за установяването на евентуални причини или предпоставки за промяна в баланса на екосистемите.

При вече налична визуална представа за терена под водната повърхност, на база на цифровия модел са направени поредица от анализи. Изчислени са площите на различните дълбочини в езерото.

dalbochiniФиг.14. Графика на съотношението на площите по дълбочина

От извършения анализ и графиката се установява, че площта от езерото, заета с вода, на дълбочина до 1.00 m е най-голяма, а тази над 7.00 m е най-малка. Интересното е, че площите с дълбочина 7.00 m се нареждат на второ място, последвани от тези до 2.00 m. Площите с дълбочина до 3, 4, 5 и 6 m са сравнително еднакви, като тези до 3.00 m са малко над останалите по големина.

След като са създадени повърхнините, обемите затворени между тях са изчислени автоматично от функциите на софтуера „AutoCAD Civil 3D” за определяне на обеми.

Табл. 4. Изчислени обеми по дълбочинен хоризонт

Дъбочина, [m]

V(езеро), [m3]

V(пълен), [m3]

V(воденслой), [m3]

0.00-1.00

2734.43

2734.43

761.1

1.00-2.00

1973.33

574.41

2.00-3.00

1398.92

451.53

3.00-4.00

947.39

370.03

4.00-5.00

577.36

293.21

5.00-6.00

284.15

214.39

6.00-7.00

69.76

69.34

7.00-7.19

0.42

0.42

 

∑=

2734.43

За по-добра визуализация на анализа е приложено и изображение (фиг.15)

profilФиг.15. Разрез на водната маса по пластове и обеми

5. Заключения

След извършените геодезически дейности, реализирани посредством хидроакустична и GPS апаратура са определени координатите на точки от езерното дъно. Данните от измерванията са синхронизирани по време и местоположение, с цел отнасянето им към едни и същи точки, изграждащи релефа на изследваната област. Чрез тях е създаден както цифров модел на релефа на дъното, така и на дълбочините. Впоследствие върху втория са осъществени поредица от анализи.

Обект на анализите са геометричните параметри на езерото – площ, обем, надлъжни профили, наклони, изчислени и разгледани за различни водни пластове и различни надлъжни сечения. Извършено е изследване на водни проби, взети от акваторията на езерото за различни нива.

В заключение могат да се направят следните изводи:

1)            Измерена е дълбочина, по-голяма от досега обявяваната максимална (6.6 м) за Каракашевото езеро – над 9 метра;

2)            Установено е наличието на риба, като доскоро се смяташе, че тя е изчезнала от езерото;

3)            Геодезическите дейности намират пряко приложение за целите и нуждите на други научни сфери, в конкретния случай спомагат за изследванията на биолозите;

4)            Условията на работа във високопланински езера, крият рискове, които могат да нанесат много сериозни последствия, както на екипа извършващ измерванията, така и на техническите средства, посредством които те се реализират, поради лошите и внезапно променящи се метеорологични условия;

5)            При използване на съвременни методи и подходяща апаратура за извършването на топографско заснемане на обекти със сходни размери е необходим малък и добре организиран екип, като измерванията могат да се осъществят за сравнително къс времеви период;

6)            Изграждането на цифров модел на релефа за даден район, спомага за цялостното анализиране на геометричните му параметри – обем, площ, наклони, сечения;

7)            След създаването на цифровия модел на релефа на дъното се установява, че промяната в дълбочините на езерото е постепенна и плавна, с тенденция към нарастване, като това се забелязва в посока от периферията на езерото към неговите централни части.

{gallery}br44/nauka:300:240:1:0{/gallery}

Автор

Теодора

И все пак тя се върти…
Rotating_earth
Rotating_earth
От категорията
Гео-портал на минестерството на отбраната

Contact Us