Содержание к диссертации
Введение
Современное состояние и основные подходы к ландшафтно экологическому анализу речных бассейнов 9
1.1 Ландшафтно-гидрологический подход 9
1.2 Бассейновый подход 15
1.2.1 Обзор взглядов на бассейновый подход 15
1.2.2 Роль бассейна малой реки в ландшафтной организации территории 18
1.3 Геоморфометрия в ландшафтно-экологических исследованиях 21
1.3.1 Понятие и объект изучения геоморфометрии. Перспективы количественного описания рельефа при изучении геосистем 21
1.3.2 Основные этапы развития теории геоморфометрии и её применения в ландшафтно-экологических исследованиях 23
1.3.3 Система морфометрических величин и их геофизический смысл. Водо
сборные морфометрические величины 25
1.4 Ландшафтное планирование 34
2 Природа и ландшафты бассейнов ушайки и самуськи 40
2.1 Физико-географическая характеристика территории 41
2.1.1 Геологическое строение и история развития территории 41
2.1.2 Рельеф и рельефообразующие процессы 44
2.1.3 Климат 50
2.1.4 Поверхностные и подземные воды 52
2.1.5 Почвы 56
2.1.6. Растительный покров 59
2.2 Ландшафтная структура 61
3 Геоинформационное моделирование бассейновых геосистем 76
3.1 Методика геоинформационного моделирования бассейновых геосистем 76
3.1.1 Геоинформационное моделирование геосистем как особый вид пространственного анализа в физической географии 76
3.1.2 Исходные данные и источники для геоинформационного моделирования
и создания ГИС 77
3.1.3 Параметры геоинформационного моделирования гидрологического функционирования бассейновых геосистем и их классификация 80
3.1.4 Апробация параметров и методики геоинформационного моделирования в условиях реальных геосистем 95
3.1.5 Методика расчёта прогнозов времени добегания поверхностных стоков.. 100
3.1.6 Крупномасштабное картографирование бассейновых геосистем 106
3.1.7 Морфометрический анализ бассейновых геосистем 1 3.1.7.1 Использование цифровых моделей рельефа в ландшафтно-экологических исследованиях 113
3.1.7.2 Построение и первичная обработка цифровых моделей рельефа... 114
3.1.7.3 Методика определения структуры бассейновых геосистем на основе типологической карты урочищ и геоинформационного моделирования 117
3.1.8 Методика функционального зонирования территории на основе геоин
формационного моделирования 126
3.2 Рамочный ландшафтный план водоохранного зонирования бассейнов рек
У шайки и Самуськи 134
Заключение 148
Список литературы
- Обзор взглядов на бассейновый подход
- Основные этапы развития теории геоморфометрии и её применения в ландшафтно-экологических исследованиях
- Рельеф и рельефообразующие процессы
- Параметры геоинформационного моделирования гидрологического функционирования бассейновых геосистем и их классификация
Обзор взглядов на бассейновый подход
Гидрологическое функционирование геосистем водосборов малых рек - сложный с точки зрения количественного учёта и математического моделирования процесс. Интенсивность процессов увлажнения территории, просачивания осадков, сбегания их по по верхности зависит от сочетания физико-географических факторов, сложившихся на данной территории в данный момент времени. Многообразие природных факторов дополняется и антропогенным изменением территории в результате хозяйственной деятельности, что делает решение данной задачи ещё более многовариантной.
Говоря об истории ландшафтно-гидрологического подхода, необходимо упомянуть, что изучение процессов формирования и территориального распределения стока с учётом физико-географических условий водосборного бассейна началось ещё во второй половине ХГХ века. Общие основы ландшафтно-гидрологического метода заложены в идеях В.В. Докучаева - о географической зональности, А.И. Воейкова - о взаимосвязи природных вод с климатом, Л.С. Берга - в учении о ландшафтах, позднее - в работах В.И. Вернадского о единстве природных вод, в учении А.А. Григорьева о физико-географическом процессе развития географической среды, в котором ведущая роль отводится взаимодействию балансов тепла и влаги. Но дальше всех в области практического использования балансов тепла и влаги для оценки различных ландшафтных условий пошли М.И. Будыко, а также ряд учёных сибирской школы профессора B.C. Мезенцева [Ткачёв Б.П., 2001].
Характер связи водного режима с характером ландшафта зависит от порядка реки и величины её бассейна. Например, для крупнейших рек, протекающих в меридиональном направлении, характерна климатическая зональность, описанная А.И. Воейковым. Внут-ризональная неравномерность стока определяется, кроме климата, азональными факторами и ландшафтной структурой водосбора. Ещё в 1930-х гт. это было чётко сформулировано В.Г. Глушковым, который писал, что географо-гидрологический метод устанавливает причинную связь всех видов вод данного района, за исключением чужих, пришлых, с характерными особенностями географического ландшафта в целом, включая сюда, кроме климата, геологию, геоморфологию, почвы и растительность [Глушков В.Г., 1934].
Анализируя это определение, А.И. Субботин обращает внимание на два ключевых слова: «район» и «ландшафт», определяющих сущность географо-гидрологического метода, который рассматривает природные воды не изолированно, а в комплексе с другими компонентами ландшафта. Вследствие этого объектом исследований становятся не только водные объекты, но и вся водосборная площадь [Субботин А.И., 1967; 1983].
Многие авторы предлагали различные названия ландшафтно-гидрологического подхода: зонально-ландшафтный [Кузин П.С., Бабкин В.И., 1979], зонально-провинциальный [Соседов И.С., 1976], геосистемно-гидрологический [Антипов А.Н., Ко-рытный Л.М., 1981]. Несмотря на их терминологические различия, подходы в целом направлены на использование гидрологической информации приблизительно в одинаковой форме: каждой геосистеме различного иерархического уровня придаются свойства внут ренней однородности для последующего использования этой геосистемы в качестве элементарной ячейки для гидрологических обобщений в рамках бассейнов либо природных систем более высокого иерархического уровня.
В.Г. Глушков [1961] указывал, что «гидрологии нужна хорошая теория явлений, необходимо установление причинных зависимостей, понимание связей между водами и географической обстановкой, чтобы можно было быстро и надежно для любого пункта дать основные характеристики местных вод». Применение метода предполагалось В.Г. Глушковым в трех формах: 1) установление качественных и количественных отношений между основными элементами ландшафта, включая воду; 2) экстраполяция полученных зависимостей по территории страны; 3) использование географо-гидрологического подхода в полевой обстановке в случае недостатка гидрологического материала [Антипов А.Н.,1986].
По отношению к гидрологическому моделированию Б.П. Ткачёв отмечает, что необходимо помнить, что гидрологические модели среди великого множества взаимосвязанных природных процессов оценивают лишь сток. Поставить гидрологическое моделирование на службу экологии, интересам охраны окружающей среды - одна из основных задач гидрологов, занимающихся моделированием. Выполнение этой задачи осложняется тем, что категории ландшафтоведения, экологии качественны и не всегда сопоставимы с количественной информацией [Ткачёв Б.П., 2001].
Среди множества взаимосвязанных процессов, происходящих в ландшафте, гидрология высвечивает только определённую их часть, связанную с формированием стока. Объекты такого исследования названы Ю.Б. Виноградовым [1988] стокоформирующими комплексами (СФК), под которыми он понимал отдельные участки земной поверхности, в пределах которых процесс формирования стока представляется качественно единообразным, а их количественные характеристики могут быть усреднены. Понятие о СФК близко к понятию о ландшафтно-гидрологическом комплексе (ЛТК), под которым понимается близкий по условиям формирования стока набор природно-территориальных комплексов (ПТК), меняющийся от года к году [Корытный Л.М., 1987]. На сегодняшний день, наряду с понятиями о СФК, ЛГК, в ландшафтной гидрологии активно используется понятие о ландшафтно-гидрологических системах (ЛГС).
В основу представлений о ландшафтно-гидрологической организации территории была положена системная парадигма В.Б. Сочавы [1978]. В соответствии с ней природная среда представлена иерархией разнотипных и разномасштабных геосистем. По отношению к гидрологическим процессам и явлениям эти представления трансформируются от носительно водного компонента геосистемы, который В.Б. Сочава рассматривал как критическую составляющую, предопределяющую функционирование всей системы в целом [Антипов А.Н., 2003].
Принимая во внимание очевидную взаимосвязь и взаимообусловленность гидрологических процессов, явлений и природных факторов, подтверждённых статистическими методами, А.Н. Антипов [2003] предлагал определять ландшафтно-гидрологические системы (ЛГС), как один из типов парциальных геосистем. Под ЛГС он понимал «часть земной поверхности, где взаимодействие гидрологических процессов и природных структур обладает локализовано-специфическими закономерностями» [Антипов А.Н.,1989, с. И]. Он также отмечал, что каждому пространственному уровню и типу ЛГС свойственен свой тип взаимодействий. Для топологической размерности таковыми могут выступать значимость водно-физических свойств почв, степени дренирования речной системой [Антипов А.Н., 2003].
Основные этапы развития теории геоморфометрии и её применения в ландшафтно-экологических исследованиях
Климат территории определяется её положением на крайнем юго-востоке Западно-Сибирской равнины и является континентально-циклоническим умеренных широт. Климат формируется взаимодействием трёх основных климатообразующих факторов: солнечной радиации, циркуляции атмосферы и подстилающей поверхности. Годовой приход суммарной солнечной радиации в среднем составляет 3 884 МДж/м2 [Кадастр возможностей, 2002]. С марта по октябрь радиационный баланс положительный, а зимой отрицательный. Атмосферная циркуляция определяется влиянием арктических, умеренных и тропических воздушных масс. Господствующим является континентальный умеренный воздух, формирующийся из воздуха, поступающего с Атлантики [Коженкова З.П., Рутков-ская Н.В., 1961]. Снежный покров, имея высокое альбедо и длительно залегая на территории, способствует её выхолаживанию и оказьшает непосредственное влияние на климат зимой. Летом в лесных ландшафтах днём влажность воздуха выше, а температура воздуха ниже, чем на открытых участках. Травяной покров испаряет большое количество влаги, величина которой при достаточном увлажнении близка к величине испарения с водной поверхности. В зависимости от типа растительности изменяется альбедо: хвойный лес — 10-14 %; лиственный лес - 13-18 %; травяной покров - 20 %; болота - 14 % [Дзердзеев-ский Б.Л., 1974]. Кроме того, состояние подстилающей поверхности в течение тёплой части года заметно меняется. Это проявляется в сокращении водных пространств от весны к лету, в изменениях внешнего облика растительного покрова в соответствии с фазами развития растений. Заметные изменения в характере подстилающей поверхности наблюдаются при переходе от одной фазы сезона к другой, коренные же изменения облика происходят при переходе от сезона к сезону [Филандышева Л.Б., Окишева Л.Н., 2002]. Таким образом, подстилающая поверхность оказывает разнообразное климатоформирующее воздействие и создает многообразие климатов на локальных уровнях.
Регулярные наблюдения за погодой в г. Томске ведутся с 1838 г. Обобщения материалов многолетних наблюдений опубликованы Г.К. Тюменцевым [1912], Н.И. Масленниковым [1939], Н.В. Рутковской [1979, 1984], Л.И. Трифоновой [География..., 1988] и Т.В. Ромашовой [2004].
По количеству выпадающих осадков исследуемая территория относится к зоне умеренного увлажнения. Среднее годовое количество осадков 517 мм (г. Томск) с годовой амплитудой 58 мм. В определённые годы количество осадков резко отклоняется от сред него. В Томске их количество может варьироваться от 361 до 865 мм [Климат Томска, 1982]. Осадки тёплого полугодия (64-78 %) существенно преобладают над осадками холодного, наибольшее среднее количество осадков выпадает в июле и августе (Табл. 3). Вьшадение твёрдых осадков возможно с сентября по май. Первый снег вьшадает в конце сентября - начале октября, но устойчивый снежный покров образуется во второй половине октября - начале ноября и удерживается 178 дней [Научно-прикладной..., 1993].
Средняя годовая температура воздуха отрицательная и составляет - 0,6С, что на 5,2С ниже, чем в Москве. Самая высокая среднегодовая температура (1,6С) наблюдалась в 1932 и 1969 годах, а самая низкая (-3,0С) в 1841,1890 гг. (Климат Томска, 1982). Средняя температура января как самого холодного месяца в году составляет —19,1 С. На этот месяц приходится и абсолютный минимум — 55 С (1931 г.). Самый тёплый месяц — июль, средняя месячная температура которого составляет 18,3С, а абсолютный максимум 35С (1931, 1975 гг.). Ветровой режим в городе Томске характеризуется преобладанием южных и юго-западных ветров небольших скоростей. Среднегодовая скорость ветра 3,6 м/с. В среднем за год в Томске наблюдается 23 дня с сильным ветром (15 м/с и более) [Научно-прикладной..., 1993]. На территории выделяются два основных сезона года - зима и лето и два переходных - весна и осень. Зима - морозная, снежная, с редкими оттепелями. Обычно она начинается в начале ноября и заканчивается в середине марта. Для геосистем — это сезон, характеризующийся энергетическим минимумом, ослаблением обмена веществом и энергией, наличием нового компонента - сезонного снежного покрова, посредством которого осуществляется этот обмен, временем прекращения вегетации растительности и снижения жизнедеятельности организмов. В среднем многолетнем выводе по типу она «трёхфазная». Весна характеризуется быстрым нарастанием солнечного тепла, таянием снежного покрова и затем прогреванием почвы. Наступает весна в середине марта. Весной происходит перестройка зимней структуры ландшафта на летнюю, т.е. восстановление активности растений и животных. Лето - самое тёплое время года. Ему свойственны самые высокие температуры воздуха и почвы в году, максимальное количество осадков. Длится лето с конца мая по начало сентября. В это время происходит интенсивный обмен веществом и энергией между компонентами ландшафта, полное развитие растительного покрова и достижение сезонного максимума биомассы. Осень — переходный климатический сезон. В это время появляется снежный покров, прекращается вегетация растений и начинается переход их в состояние покоя, т.е. происходит трансформация летней структуры ландшафта в зимнюю. Осень продолжается с начала сентября по начало ноября [Рутковская Н.В., 1984; География..., 1988 и др. ]. Поверхностные воды исследуемой территории представлены р. Ушайкой, р. Са-муськой, озёрами, прудами, отстойниками, а также многочисленными малыми реками более высоких порядков и ручьями. Реки Ушайка и Самуська являются правыми притоками р. Томь. Река Ушайка впадает в р. Томь в 68 км от устья. Её длина составляет 78 км, а площадь водосборного бассейна 744 км . Река Самуська впадает в р. Томь в 30 км от устья. Её длина составляет 72 км, площадь водосбора 505 км [Ресурсы поверхностных..., 1972]. Основные притоки р. У шайки - р. Березовая, р. Бобровка и р. Малая Ушайка. Основные притоки р. Самуськи - р. Песочка, р. Кантес, р. Таловка, р. Сарпа.
Река Ушайка имеет глубоко врезанную долину с крутыми бортами, довольно быстрое течение и большие уклоны русла. Речка порожиста, особенно там, где пересекает выходы палеозойских пород, и относится к переходному типу от горного к равнинному. Река Самуська не имеет больших уклонов русла и является сильно извилистым равнинным водотоком. Она протекает в основном по надпойменным террасам Томи и, как правило, резко меняет направление своего русла при переходе на нижележащий геоморфологический уровень. Скорости течения невысокие: на перекатах от 0,8 до 1,2 м/с, а на плёсах 0,3 м/с.
В годовом питании рек участвуют талые воды снегов, жидкие осадки в виде дождей и ливней. Основным источником питания в годовом стоке рек являются твёрдые осадки, выпадающие в зимний период, т.е. запасы снега на водосборе.
По характеру водного режима реки Ушайка и Самуська - типичные реки с весенне-летним половодьем и паводками в летне-осенний период. Гидрограф годового стока имеет сложную форму, с острыми пиками на волне половодья и плавную, волнистую линию в периоды межени. Основной фазой водного режима рек является весенне-летнее половодье, когда формируются максимальные расходы воды и устанавливаются наивысшие уровни. Начинается оно обычно в первой декаде апреля, средняя продолжительность его около двух месяцев. Половодье проходит, как правило, двумя волнами, отражающими дискретность таяния снега на водосборе. После окончания половодья, обычно в середине июня, на реке устанавливается летне-осенняя межень, прерываемая дождевыми паводками, наиболее значительными в августе - сентябре.
Режим стока и особенно режим уровней воды р. Ушайки в нижнем течении находятся под сильным воздействием антропогенных факторов, среди которых главным является деятельность человека, выраженная в повсеместной застройке, распашке склонов и даже канализировании стока.
Рельеф и рельефообразующие процессы
К гривно-ложбинному лесо-луговому типу местности поймы р. Томи, затрагивающему устьевой участок долины р. Самуськи относятся 4 вида урочищ (коды: 1,2,3,7). Относительные превышения поверхности поймы над урезом воды р. Томи, как правило, не более 7-8 м (за исключением высоких прирусловых валов). Пойменный тип местности характеризуется гривно-ложбинной структурой и большим разнообразием слагающих его урочищ, большинство из которых имеет характерную вытянутую форму. При этом комплексы урочищ поймы образуют своеобразный парагенетический ряд, который в самом общем виде можно представить как упорядоченную цепь: русло реки - протока - старица - болото - заболоченный луг - луговая низина - луговая равнина. Среди типов урочищ данной местности выделяются межгривные понижения центральной поймы с полидоминантными лугами и ивовыми кустарниками на аллювиальных дерново-глеевых суглинистых почвах (код 1), гривы центральной поймы с берёзово-ивовыми крапивно-злаковыми лесами на аллювиальных дерновых слоистых почвах (код 2), склоны высоких грив центральной поймы с мелколиственно-еловыми разнотравными лесами на аллювиальных дерновых оподзоленных супесчаных почвах (код 3), гривно-ложбинные участки с берёзовым разнотравным лесом на аллювиальных дерновых слоистых почвах (код 7). Площадь урочищ варьируется от 150 м2 до 1,4 км2.
Плосковолнистый болотно-лесной комплекс первой надпойменной террасы р. Томи встречается фрагментами (рис. 16). Превышения площадки первой террасы над урезом воды р. Томи в основном 8-15 м. При этом отдельные участки испытывают сильный антропогенный пресс.
В пределах первой надпойменной террасы р. Томи в бассейне р. Самуськи выделены 3 вида урочищ. Это понижения с еловыми мелкотравными лесами на подзолисто-глеевых суглинистых почвах (код 4), понижения с кедрово-еловыми мелкотравными лесами на подзолисто-глеевых суглинистых почвах (код 5) и пологонаклонные участки с сосновыми разнотравными лесами на дерново-подзолистых супесчаных почвах (код 6). (фото автора 21.08.2009)
Холмисто-западинный боровой тип местности второй надпойменной террасы р. Томи занимает наибольшую площадь в бассейне р. Самуськи. Относительные превышения площадки второй надпойменной террасы над урезом воды р. Томи в основном составляют 19-26 м. Большое распространение в пределах этого типа местности получили геосистемы сосновых боров, поэтому вторую надпойменную террасу часто именуют «боровой». В пределах данного типа местности выделено 54 вида урочищ, принадлежащих бассейну р. Самуськи.
Как видно из рисунка 17, наибольшее распространение в пределах данной местности в бассейне р. Самуськи получили пологонаклонные участки с осиновыми и берёзо-во-осиновыми разнотравными лесами на серых лесных легкосуглинистых почвах (код 316). К данному типу урочищ принадлежит и самое большое урочище, расположенное в центральной части изучаемой территории к северу от русла р. Самуськи, которое состоит из большого количества фаций и занимает площадь 6,44 км2. Широкое распространение на второй надпойменной террасе р. Томи получили урочища холмисто-западинного ПТК, происхождение которых во многом связано с сис-темоформирующей деятельностью ветра (коды 307, 308, 309, 310, 311), например эоловые гривы с разнотравно-злаковыми лугами на светло-серых лесных супесчаных почвах (код 305).
Среди антропогенно-модифицированных урочищ можно выделить садовые участки и огороды на светло-серых лесных супесчаных изменённых почвах (код 300), просеки ЛЭП, трубопроводов и лесных дорог через хвойные злаково-разнотравные леса на дерновых или дерново-подзолистых почвах (коды 301,302,303,304), кладбища (код 349) и др.
В низинах расположены различные модификации заболоченных геосистем (коды 325, 326, 327, 328, 334, 340, 342, 346, 351), например, обширные понижения и межгрив-ные ложбины с сосновыми и мелколиственно-сосновыми багульниково-сфагновыми лесами на торфяно-глеевых легкосуглинистых почвах (код 314).
Значительные площади занимают пологонаклонные участки со злаково-разнотравными лугами на дерново-луговых легкосуглинистых почвах (код 306), слабонаклонные участки с сосновыми и мелколиственно-сосновыми разнотравными лесами на дерново-подзолистых супесчаных почвах (код 321).
Пологоволнистый берёзово-осиновый тип местности междуречных равнин занимает северо-восточную и юго-восточную часть территории исследования (рис. 13). Пре вышения её над урезом воды р. Томи в основном 30-42 м. К данному типу местности в пределах изучаемой территории отнесены 16 видов урочищ.
В пределах междуречных равнин также распространены геосистемы, сформировавшиеся в результате эоловых процессов (код 409). Но, в отличие от второй террасы, благодаря более старому возрасту и более высокому местоположению, здесь уже гораздо заметнее влияние зональных факторов. Это, в частности, хорошо видно по почвенному покрову, в котором большую роль играют серые лесные оподзоленные и дерново-подзолистые почвы, характерные для подтайги. Поэтому здесь, в отличие от боровой второй террасы, наибольшее распространение имеют близкие к коренным геосистемы подтайги - хорошо дренируемые гривы с мелколиственными разнотравными лесами на серых лесных оподзоленных почвах.
Широко распространены наклонные и пологонаклонные геосистемы с берёзовыми и осиново-берёзовыми разнотравными лесами на серых лесных и дерново-подзолистых суглинистых или легкосуглинистых почвах (коды 404,405,407,411).
В пониженных участках встречаются берёзовые и осиново-берёзовые осоково-разнотравные леса на дерново-подзолисто-глеевых суглинистых почвах (код 406). Плоские слабо дренируемые участки заняты низинными осоковыми болотами на торфяных почвах (код 410).
Антропогенно-модифицированные геосистемы представлены полого-наклонными участками бывших пашен и огородов, занятых сейчас полидоминантными лугами, на изменённых серых и тёмно-серых лесных почвах, а также просеками ЛЭП, трубопроводов, лесных дорог через сосновые и сосново-берёзовые леса с разнотравно-злаковыми лугами на дерново-подзолистых и светло-серых лесных почвах (коды 403,412,413,415).
Объекты городской и транспортной инфраструктуры занимают значительную площадь в западной (устьевой) части бассейна р. Самуськи. К ним относятся селитебные зоны сельского типа (код 80), представленные в основном территорией посёлка Самусь, промышленные зоны (код 82), карьеры и отвалы (код 83), линейные геосистемы автодорог с покрытием (код 86).
Таким образом, по особенностям ландшафтной структуры, исследованная территория бассейнов рек Ушайки и Самуськи характеризуется индивидуальным набором видов урочищ, различной степенью антропогенной трансформации, а следовательно, неодинаковыми подходами и вариантами ландшафтного планирования.
Следует отметить, что геосистемы исследуемых участков речных бассейнов не находятся в статическом состоянии, а постоянно изменяются под действием естественных и антропогенных факторов. В бассейне р. Самуськи даже незаболоченные территории, особенно в западной (устьевой) части, находятся под сильным техногенным воздействием, и их экологическое состояние вряд ли можно считать удовлетворительным. Однако в целом необходимо констатировать, что процессы естественной эволюции геосистем на исследуемом участке продолжают превалировать.
В бассейне р. Ушайки антропогенная модификация геосистем территории исследования происходит под влиянием многих факторов - от развития промышленности и сельского хозяйства до расширения селитебных зон и транспортного строительства. Эти факторы зачастую воздействуют на геосистемы не по отдельности, а в комплексе, накладыва-ясь друг на друга и на процессы естественного развития геосистем. Антропогенная модификация ландшафтов зачастую приводит к ухудшению экологического состояния ландшафтов. Например, вырубка леса на площадях, находящихся в неустойчивом динамическом равновесии, ведет к развитию процессов заболачивания, а на склонах к развитию эрозии.
Параметры геоинформационного моделирования гидрологического функционирования бассейновых геосистем и их классификация
Для построения ЦМР в ГИС-пакете SAGA были использованы варианты с импортом ранее созданной и созданием новой ЦМР.
Для осуществления импорта использовалась ЦМР, созданная в формате регулярной сети GRID с расширением " asc" (ArcGIS). При этом выполнялось следующее сочетание операций: "Moduls — File — Grid — Import — Import ESRI Arc/Info Grid".
Для создания новой ЦМР из векторных слоев данных для построения ЦМР на основе горизонталей (polylines) была задействована последовательность модулей SAGA "Grid — Gridding — Shapes to Grid", а также "Grid —» Gridding — Spline Interpolation", где имеется возможность использовать семь различных режимов интерполяции и аппроксимации матрицы точек с информацией о высотах (points).
Следует отметить, что в первом случае полученная ЦМР более чётко отображает особенности рельефа, чем во втором. В такой ЦМР полностью отсутствуют ступени, приуроченные к горизонталям, а также плоские вершины возвышенностей, которые формируются при интерполяции горизонталей в том случае, если их не дополнять значениями высот в характерных точках рельефа. Поэтому при дальнейшем моделировании в большинстве случаев использовался модуль "Grid — Gridding — Shapes to Grid".
Помимо различных алгоритмов аппроксимации и интерполяции матрицы высот, современные ГИС с расширенными возможностями морфометрического анализа обладают функциями первичной обработки ЦМР (preprocessing). Так, в ГИС-пакете SAGA первичная обработка ЦМР осуществляется при помощи модулей библиотеки "Terrain Analysis — Preprocessing". Важность первичной обработки особенно проявляется для моделирования гидрологических процессов на водосборе. Например, при моделировании направлений поверхностных стоков возникает проблема корректности вычислений движения воды через локальные понижения рельефа, образованные особенностями построения ЦМР и наличием т.н. «синков». В ЦМР «sinks» (в переводе с англ. - понижение, депрессия) представляют собой ячейку или группы ячеек, имеющих меньшую абсолютную высоту относительно остального массива ячеек. Для получения более корректных результатов моделирования перед расчётом параметров, имеющих отношение к определению направлений поверхностных стоков (Catchment area, Flow direction и др.), локальные понижения (sinks) должны быть заполнены. Для такого заполнения в SAGA используется ряд операций: "Moduls — Terrain Analysis —»Pre-processing — Sink Removal".
SAGA предоставляет несколько алгоритмов решения обозначенной выше проблемы, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки: "Fill Sinks (Planchon/Darboux, 2001)", "Fill Sinks (Wang&Liu)", "Fill Sinks XXL (Wang&Liu)", "Sink Removal".
Апробирование алгоритмов было проведено специалистами кафедры физической географии и ландшафтоведения геофафического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова под руководством В.В. Сысуева при участии автора диссертации в 2010 г.
Высокая значимость первичной обработки ЦМР для проведения гидрологического анализа бассейновых геосистем показана на примерах расчёта составной морфометрической величины индекса потенциальной влажности (ИПВ) (Wetness index) (рис. 37; 38).
Сравнение двух моделей распределения ИПВ (рис. 37; 38) без труда позволяет выявить ряд общих закономерностей. Так, на модели без первичной обработки отмечается дискретность распределения параметра ИПВ. На модели же с первичной обработкой на пологих участках происходит комплексное увеличение показателей ИПВ, что связано с ухудшением условий дренирования поверхности.
Для решения практических задач функционального зонирования бассейнов малых рек с применением геоинформационного моделирования необходимым критерием, отвечающим за точность результатов моделирования, является дифференциация территории на максимально однородные участки по физико-географическим условиям и некоторым прогнозным гидрологическим показателям. При таком подходе пространственные границы геосистем традиционной ландшафтной карты зачастую сложно сопоставимы с информацией, полученной на основе анализа ЦМР, т.к. в данном случае не в полной мере учитываются закономерности, обусловленные дифференциацией процессов увлажнения речного бассейна. Для устранения обозначенного недостатка на основе аналитических средств ГИС-пакетов SAGA и ArcGIS для бассейнов рек Ушайки и Самуськи была разра 117 ботана методика определения структуры геосистем и их частного районирования. Апробация методики проведена на расположенном в бассейне р. Ушайки ключевом участке.
Географы-моделисты уже неоднократно обращали внимание на автоматизированное выделение ландшафтных единиц путём классификации рельефа [Сысуев В.В., 2003; Круг-лов I., 2004; Мкртчян А.С, 2006]. В основе подхода лежат априорные (косвенные) представления об изменении показателей рельефа, обусловливающие дифференциацию геосистем. При этом, как справедливо отмечает А.С. Мкртчян [2006, с. 204]: «использование при выделении ландшафтных единиц морфометрических показателей "в чистом виде" ставит вопрос об обоснованности выбора этих показателей и их градаций в качестве индикаторов пространственного распределения характеристик других компонентов ландшафта». Им же отмечено, что «более целесообразным является использование с этой целью комплексных показателей и индексов, характеризующих определенные процессы, которые регулируются рельефом и влияют на распределение ландшафтных характеристик» [Мкртчян А.С., 2006, с. 204]. Для решения задач, стоящих перед диссертационным исследованием, в качестве базового дифференцирующего показателя использовалась составная морфометрическая величина - Wetness Index (ИПВ), описание которой дано в разделе 1.3.2. Полученные в результате работы данного показателя количественные величины рассматривались в качестве единиц потенциальной влажности, которые при необходимости возможно верифицировать с величинами увлажнения территории, измеренными в естественных условиях геосистем.
Основной гомогенной единицей, а также объектом ЛК при создании методики частного районирования бассейновых геосистем выступал элементарный ландшафт (фация), под которым Б.Б. Полынов понимал: «определенный элемент рельефа, сложенный одной породой или наносом и покрытый в каждый отдельный момент своего существования определенным растительным сообществом» [1953, с. 35].
Учитывая геосистемную предопределённость гидрологических процессов при рассмотрении основных факторов дифференциации геосистем, наиболее обоснованным, по-видимому, является объединение биогеоценозов (элементарных ландшафтов) в иерархически более высокие геосистемные единицы на основе выделения и анализа системофор-мирующих латеральных потоков вещества, под которыми понимаются водная миграция вещества со склоновым поверхностным, внутрипочвенным, грунтовым, подземным и русловым стоком [Сысуев В.В., 2003а].
Как отмечено выше, основной проблемой использования контуров геосистем ландшафтных карт, изготовленных традиционным способом, является их несовпадение с характеристиками распределения увлажнения по рельефу поверхности, воспроизводимому матрицей цифровых высот, что приводит к получению некорректных результатов ландшафтного анализа на основе ГМ. Так, на практике, при использовании классических приёмов и методик ЛК геосистем ранга урочищ, эксперт, как правило, руководствуется постулатом, что урочище занимает однородную мезоформу рельефа (например, гривно-ложбинный участок на второй надпойменной террасе). При таком подходе в границах выделенного урочища могут располагаться разнообразные формы рельефа и, как следствие, возможно присутствие большого количества фаций (рис. 40). В этом случае ЛК выделяются скорее геосистемы ранга сложных урочищ, под которыми Н.А. Солнцев понимал урочища, занятые системой фаций (подурочищ) [Морфологическая структура..., 1962]. Вместе с тем, использование при дифференциации сложных урочищ индекса потенциальной влажности позволяет определить генетическое единство стока в пределах заданного ареала.
Апробация методики фациальной дифференциации происходила на ключевом участке, расположенном в среднем течении р. Ушайки на её правом берегу. Площадь участка составляет 0,98 км2. Выбор участка происходил на основе ряда критериев: дробности геосистем, наличия как антропогенно-модифицированных геосистем, так и геосистем, близких к естественному состоянию, простоты получения полевых измерений. Важным критерием было наличие в пределах участка различных генетических типов рельефа. Так, на участке выделялись: прирусловая и центральная пойма р. Ушайки; надпойменная терраса, развитая локально в пределах небольших участков, склон междуречный равнины, занимающий верховья участка и самую большую площадь среди представленных генетических типов рельефа (рис. 39).
В пределах участка закартографированы 89 различных геосистем ранга урочищ, объединённых в 22 вида. Средний уклон всего выбранного участка составляет «4,03», а средний уклон входящих в него геосистем варьируется от «0,16» для межгривных понижений с клёном татарским, зарослями ивы и черёмухи с разнотравьем на аллювиальных дерново-глеевых суглинистых почвах (код 16) до «8,39» для пологонаклонных участков, занятых строениями, огородами и садовыми участками (код 45).
Похожие диссертации на Ландшафтно-экологический анализ бассейнов малых рек на основе геоинформационного моделирования : на примере малых рек Томска и его окрестностей
