Автор: Абакумова Вера Юрьевна

Рубрика: География

Опубликовано в Молодой учёный №22 (126) ноябрь 2016 г.

Дата публикации: 06.11.2016

Статья просмотрена: 58 раз

Библиографическое описание:

Абакумова В. Ю. Применение ГИС для изучения взаимосвязи рельефа и речной сети на примере бассейна малой реки (Забайкальский край) // Молодой ученый. — 2016. — №22. — С. 119-124.



Рациональное использование водных ресурсов невозможно без знаний об их количественных, качественных, режимных характеристиках, параметрах самоочищения и возобновления. Количественная составляющая поверхностных водных ресурсов, главным образом, зависит от климатических и гидрогеологических факторов. На процессы преобразования (во времени и пространстве) выпавших осадков и разгрузки глубоких подземных вод, влияют также геологические, геоморфологические и ландшафтные условия. Бассейн реки представляет собой пространственное сочетание зон питания, транзита и разгрузки, которым присущи временные трансформации. По густоте и строению речной сети можно судить о пространственной структуре бассейна и временных изменениях условий формирования речного стока. Разработка методов оценки водных ресурсов неизученных территорий при ограничении или отсутствии данных о речном стоке и его режимных характеристиках — актуальная задача гидрологии. Для ее решения используются цифровые модели рельефа (ЦМР) и геоинформационные системы (ГИС).

Моделирование стекания воды по поверхности применяется при изучении различных процессов: гидрологических, эрозионных, почвообразования, миграции и накопления веществ. В данной работе с его помощью исследовалась взаимосвязь рельефа и речной сети. Для этого на основе ЦМР бассейна в бесплатной ГИС-программе Terrain Analysis System (TAS) GIS вычерчивалась речная сеть с использованием алгоритма ADRA (Adjustable Dispersion Routing Algorithm). Этот алгоритм вычисляет направление стока и водосборные площади в зависимости от положения истоков, которые он определяет по виду переходной функции и её пределов, заданным пользователем. Вид функции (линейная или сигмоидная) влияет на способ увеличения слияния потоков воды от водоразделов к истокам. Пределы функции (верхний и нижний) определяют интервал изменения характера движения воды: от рассредоточенного по поверхности к полностью сходящемуся к истоку реки. От нижнего предела зависит расположение истоков водотоков первого порядка. Он равен произведению водосборной площади на квадрат уклона и обозначается как С [1]. Таким образом, ADRA учитывает не только размер водосбора, но и скорость стекания воды (за счет уклона), что влияет на просачивание воды в подземные горизонты, испарение, заболачивание и другие процессы, задерживающие стекание.

Подчеркнем, что ADRA учитывает только форму поверхности, т. е. предполагаются равномерные осадки по всему бассейну, стекающие ламинарными поверхностными и неглубокими подповерхностными потоками. Вне поля зрения остаются количество осадков и их режим, свойства подстилающей поверхности, водообмен с грунтовыми и более глубокими подземными водами, влияние растительности и др. Задавая параметр С, можно учесть эти условия, но конкретная его величина зависит от комплекса природных условий (климатических, ландшафтных, гидрогеологических, криологических и др.). Приближенно его можно вычислить по полевым данным о проницаемости почвы и грунтов, атмосферных осадках, испарении, и др. При их отсутствии часто применяется последовательный подбор и сравнение по различным критериям (густота, мощность, фрактальный размер и др.) получившейся речной сети с известными данными из карт, аэро- и космоснимков, полевых наблюдений. Результаты можно переносить на неизученные бассейны со сходными условиями. В то же время, сравнение реальной речной сети и теоретической, полученной при разных значениях С, показывает условия, влияющие на речную сеть. Соотношение временных (пересыхающих) и постоянных водотоков, и их расположение, характеризует режим рек. Временные водотоки обусловлены поверхностным стеканием и обильными сезонными осадками, постоянные — грунтовым стоком, или другими дополнительными источниками питания. Таким образом, можно анализировать речную сеть при разном увлажнении. В данной работе речная сеть, полученная в TAS GIS, сравнивалась с речной сетью из топокарт масштаба 1:100000 [2].

Объект исследования — бассейн малой реки Карповки (площадь 123 км2), притока реки Чита (Забайкальский край). Бассейн расположен в Читино-Ингодинской впадине с широким выровненным днищем и средневысотными водораздельными пространствами, расчлененными густой сетью водотоков. Климат региона — резко континентальный, засушливый, холодный, со среднегодовой температурой воздуха около -2,7 оС, островным распространением многолетней мерзлоты. Для Забайкалья характерны такие гидрологические явления, как редукция стока в степях, быстрое стекание воды со скал и просачивание вглубь осыпей, испарение снега, задерживание и охлаждение влаги, с последующим постепенным таянием, в пределах многолетней мерзлоты, испарение и конденсация водяных паров в курумах и каменных осыпях [3].

ЦМР бассейна была построена по общедоступным данным SRTM (http://srtm.csi.cgiar.org). Исходный размер ячейки — 3 угловые секунды, после пересчета координат в систему UTM — около 70 м. Общие характеристики бассейна в таблице 1.

Таблица 1

Основные характеристики бассейна р. Карповка

Абсолютная высота, м

Доля площади,%

Уклон, градусы

Доля площади,%

Экспозиция склона

Доля площади,%

650–700

11

0–2

17

С

14

700–750

12

2–4

17

СВ

8

750–800

8

4–8

34

В

4

800–850

10

8–15

27

ЮВ

6

850–900

11

15–35

5

Ю

13

900–950

13

более 35

0

ЮЗ

19

950–1000

14

З

17

1000–1050

5,3

СЗ

18

1050–1300

17

нет (угол менее 1о)

1

Треть бассейна — это плоские и очень пологие поверхности, треть — пологие, треть — средние и крутые. Первые характерны для устьевой части бассейна, находящейся в пределах выровненного днища долины р. Чита и для долины р. Карповки, вторые — для вершин водоразделов и подошв склонов, остальные — для склонов водоразделов. Можно допустить, что одинаковое количество атмосферных осадков выпадает на всей территории бассейна, но перераспределение их и превращение в речной сток существенно различается, большую роль в этих процессах играют высота, уклон, экспозиция. Значительную часть бассейна занимают водораздельные пространства, где снег тает позже, по сравнению с долиной, где снеговой покров быстро сдувается или испаряется. Широкие и пологие вершины водоразделов в верхней части бассейна способствуют просачиванию влаги в подземные горизонты, препятствуют быстрому стеканию осадков, увеличивают водосборную площадь водотоков. В средней части бассейна вершины водораздельных хребтов не такие широкие, а их склоны имеют наибольшие уклоны. Южные склоны (около 26 % бассейна, нижняя часть бассейна, крутые склоны) теплее, прогревание и оттаивание почвы здесь происходит быстрее, испарение больше, в отличие от северных (около 28 %, верховья бассейна, водоразделы).

Речная сеть из топокарт сопоставлялась с полученной в программе TAS GIS с применением сигмоидного алгоритма при значениях параметра С: 100, 200, 300, 400, 500 [2]. Учитывались постоянные водотоки, (сплошная линия на карте), соответствующие периоду межени, и временные водотоки (пунктирная линия), соответствующие среднемноголетнему многоводному периоду. При увеличении параметра С, уменьшается количество водотоков первого порядка, их средний уклон, увеличивается их средняя длина и площадь водосбора, и, значит, тем хуже условия для стока, например, меньше выпадает осадков, происходит пополнение грунтовых вод или заболачивание (рис. 1)

Рис. 1. Бассейн р. Карповка и водотоки: а — водотоки, истоки которых определяются программой TAS GIS при значении параметра С: 1–100 и менее, 2–200, 3–300, 4–400, 5–500 и более; б — водотоки из топокарты масштаба 1:100000; в — бассейн и водотоки совмещенные с теневой отмывкой рельефа

Для выявления особенностей годового режима реки и влияния на него осадков, анализировались совместно суточные осадки и расходы реки за 2006 год по данным Забайкальского межрегионального территориального управления Федеральной службы по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. С ноября по апрель река перемерзает, при наступлении устойчивых положительных температур воздуха (конец апреля — начало мая) расход воды увеличивается. Весенний сток складывается из осадков, запасов влаги в снеге, воды от таяния речного льда и наледей. Вклад первых двух намного меньше. Снеговые осадки составляют менее 15 % годовой суммы, а к началу тёплого периода запас влаги в снеге не превышает 10 %, так как весной из-за солнечной радиации и ветров снег испаряется без таяния или сразу же после таяния [4]. Для весенних расходов характерны быстрые подъемы и спады, на гидрографе имеются высокие пики. Это вызывается разновременным таянием речного льда и наледей с запада на восток, при увеличении высоты местности и уменьшении температуры воздуха, медленным оттаиванием почвы, отсутствием просачивания в неё влаги, охлаждающим влиянием многолетней мерзлоты. Летом происходит наибольшее расходование влаги на испарение, транспирацию, пополнение грунтовых и более глубоких вод. Средние расходы с июля по сентябрь не отличаются существенно, рост расходов связан с ливневыми или многодневными дождевыми осадками. В этот период на увеличение расходов более влияет сумма осадков за 15–20 суток, чем суточные осадки, при условии, что они составляют менее 17 мм/сут. С конца октября расходы воды уменьшаются и к середине ноября полностью прекращаются.

Речная сеть неравномерна по территории: все постоянные водотоки первого порядка находятся в верховьях бассейна, причем, на севере их почти нет. В средней и нижней части бассейна (с небольшими озерами и заболоченностью), расположенной в долине р. Читы, есть только один временный водоток второго порядка. Густота речной сети небольшая, с учетом только постоянных водотоков она равна 0,37 км/км2, с временными водотоками — 0,51 км/км2. Велика доля временных водотоков: суммарная их длина равна около 27 % от всей длины речной сети. Пересыхающие истоки есть у всех водотоков, кроме одного, ряд водотоков полностью временные. Значит, они не обеспечены устойчивым питанием, а речной сток имеет большие годовые колебания.

Рассмотрим пространственное распределение величины С, при которой водотоки первого порядка обозначены на карте (рис. 1). Для большинства постоянных водотоков С=200–300, для одного С=400. Водотоки с С=200, кроме одного, стекают с главного водораздела р. Чита. У водотоков, стекающих с внутренних водоразделов, С=300–400. В средней части бассейна при С=500 TAS GIS рисует всего три водотока, из которых двух нет совсем, один водоток полностью временный. Территориальные различия обусловлены уклоном поверхности и рельефом элементарных бассейнов. С уклоном связана и растительность и распространение наледей. По преобладающей растительности и уклону были выделены четыре группы поверхности: 1 — слабо наклонные участки с травянистой растительностью (уклон менее 4 градусов), 2 — пологие участки с травянистой и редкой древесной растительностью (уклон 4–8 градусов), 3 — средние с древесной растительностью (с преобладанием сосны), 4 — крутые скалистые участки с разреженной древесной растительностью (уклон более 15 градусов). Наледи располагаются в долине реки, в местах слияния водотоков, в истоках водотоков, т. е. на участках с небольшим уклоном. Наличие наледей в бассейнах временных водотоков, говорит, что они не могут обеспечить постоянный сток рек, а только перераспределяют его. Форма водосборной площади также влияет на величину С и формирование речного стока, особенно, на характер паводков. Фактор формы бассейна Rf (form factor) — это отношение площади бассейна к квадрату его длины, чем ближе он к 0, тем бассейн длиннее [5]. Чем больше фактор формы, тем выше пики паводков и короче их период [5]. Важна расчлененность рельефа и врез речной и дренажной сети, которые оцениваются по распределению уклонов и максимальному перепаду высот (табл. 2).

Таблица 2

Параметры водотоков первого порядка бассейна р. Карповка

водотока

Водосборная площадь истока, тыс. м2

С

Длина временных участков, км

Индекс поверхности

Площадь наледей, тыс. м2

Максимальный перепад высот, м

Rf

1

7143

200

2,1

2

5,2

201

0,85

2

3677

200

0,6

2,2

-

291

0,92

3

2863

300

1

2,7

1,1

299

1,46

4

1660

300

0,9

2,9

-

255

0,98

5

3615

400

2,9

3,3

9,7

289

0,6

6

1256

200

1,2

2,9

-

227

0,4

7

1504

300

0,4

3

-

276

1,1

8

1202

200

0,3

2,2

3,4

210

0,64

9

862

300

0,5

2,5

0,2

179

0,7

10

830

300

0,5

2,5

-

134

0,83

11

1359

300

0

3

-

203

1,36

Примечание. Водосборная площадь вычислена по методу D8 (single flow direction 8). Индекс поверхности определялся по соотношению площадей с разными группами в водосборе, также были учтены вырубки, гари, земли сельхозназначения и др. Расположение и размер наледей определены по доступным космоснимкам Google Earth.

Так как показатель С складывается из множества взаимосвязанных факторов, одна и та же величина С получается при взаимодействии разных факторов. Из четырех водотоков с С=200, три находятся в сходных условиях с небольшими уклонами, древесной растительностью, короткими пересыхающими участками, в этих бассейнах происходит пополнение грунтового стока, что подтверждает наличие наледей. Здесь наиболее благоприятные условия для водотоков и устойчивого стока в течение года. Короткий водоток № 6 можно весь считать временным, судя по всем показателям. В водосборах водотоков с С=300 преобладает поверхностный сток, здесь более крутые склоны, больше доля временных участков и неравномерность годового стока. В средней части бассейна большие уклоны, каменистые осыпи, участки скал, не покрытые растительностью, способствуют быстрому стеканию атмосферных осадков, особенно ливневых. Еще менее благоприятные условия в нижней части бассейна с самыми плоскими участками, где велико испарение.

Зная условия трансформации осадков в речной сток, распределим по территории модуль годового стока, его внутригодовые изменения, и связанное с ними соотношение поверхностной и подземной составляющих стока. Модуль стока бассейна за 2006 год равен 2,02 л/с*км2, среднее между степью, пойменным лугом и лиственнично-сосновым лесом [6], его основными видами растительности. Допустив, что осадки и испарение одинаковы для всего бассейна и пропорциональны водосборной площади, выделим территории с различным типом взаимодействия поверхностного и грунтового стока. Для этого учитываем параметр С, расположение и длину пересыхающих участков, расположение и размер наледей, состояние поверхности. Места формирования стока паводков определены при С=100, что соответствует выпадению ливневых дождевых осадков, быстро стекающих по поверхности, без просачивания в почву. Обычно для водотоков первого порядка подземная составляющая речного стока мала из-за небольшого вреза русла. В их бассейнах в зависимости от условий формируется грунтовый и поверхностный сток. Чем ближе к устью, тем больше разгрузка грунтового стока в речную сеть, и меньше модуль поверхностного стока, в межень происходит редукция стока. Появляется влияние р. Чита и вышележащей территории ее бассейна, заключающееся в разгрузке в речную сеть грунтового стока в межень и пополнении его при половодьях, а также в подпитке аллювиальными водами, приуроченными к террасам р. Чита (рис. 2).

Рис. 2. Территориальные особенности стока бассейна р. Карповка: 1 — преимущественно поверхностный сток на вершинах склонов, не формирующий водотоки из-за малой водосборной площади, ниже по склонам переходит в грунтовый сток, годовой модуль стока (за 2006 год) М=3,5–4 л/с*км2; 2 — преимущественно поверхностный сток, формирует расходы половодий и паводков, быстро стекает в речную сеть, частично переходя в грунтовый сток, М=2,5–3 л/с*км2; 3 — преимущественно испарение, при осадках — пополнение грунтовых вод и незначительный поверхностный сток, М=1–1,5 л/с*км2; 4 — формирование грунтового стока, обеспечивающего меженный сток, 4а — зона поверхностного стока при обильных осадках, М=3,5–4 л/с*км2; 5 — испарение и формирование грунтового стока, не влияющего значительно на речной сток, при обильных осадках увеличивается грунтовый сток и локально поверхностный сток, М=1–1,5 л/с*км2; 6 — разгрузка грунтового стока, расходы реки обеспечены поверхностным и неглубоким грунтовым стоком, при половодьях происходит пополнение грунтовых вод, М=2,5–2 л/с*км2; 7 — разгрузка грунтового стока, расходы обеспечены поверхностным и грунтовым стоком, влияние р. Чита и вышележащей территории ее бассейна, М=2 л/с*км2

Итак, бассейн был поделен на зоны с различными условиями для формирования речной сети, для чего предложен и апробирован метод сравнения речной сети, полученной в программе TAS GIS на основе ЦМР, с речной сетью, выделенной из топографических карт. Метод основан на связи геоморфологического строения с данными условиями, а также роли рельефа в процессах формирования речной сети и речного стока.

Литература:

  1. Lindsay J. B. A physically based model for calculating contributing area on hillslopes and along valley bottoms // Water Resources Research. 2003. Vol. 39. Рp. 1332–1338
  2. Абакумова В. Ю. Исследование пространственной структуры условий формирования речной сети // Метеорология и гидрология № 8–2013 — С. 88–100.
  3. Напрасников А. Т., Сизиков А. И. Физикогеографические закономерности формирования поверхностного стока горных ландшафтов (на примере Забайкалья) // Вопросы гидрологии Забайкалья. Записки Заб. фил. ГО СССР. Вып. 85. Чита: Изд-во Заб. фил. ГО СССР, 1972. С. 3–16
  4. Осокин И. М. География снежного покрова востока Забайкалья. Записки Заб. фил. ГО СССР. Вып. 33. Чита: Изд-воЗаб. фил. ГОСССР, 1969. 192 с.
  5. Geena G. B., Ballukraya P. N. Morphometric analysis of Korattalaiyar River basin, Tamil Nadu, India: A GIS approach // International journal of geomatics and geosciences. 2011. Vol. 2. No 2. Pp. 383–391
  6. Ландшафтная гидрология: теория и практика исследований / отв. ред. Антипов А. Н. и др. Новосибирск: Гео, 2007. 262 с.
Основные термины (генерируются автоматически): речной сети, грунтового стока, части бассейна, водотоков первого порядка, поверхностный сток, речного стока, речной сток, TAS GIS, разгрузка грунтового стока, средней части бассейна, бассейна р, стока бассейна, постоянных водотоков, поверхностного стока, формирования речной сети, речную сеть, формирование грунтового стока, водосборной площади, стока бассейна р, редукция стока.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос