Секция 4. Проблемы экономики, экологии и естественных наук

Амосова Ирина Юрьевна,

институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, экстерн

Научный руководитель:

Ильичева Елена Анатольевна, к.г.н., с.н.с.

Исследование речных систем озера Байкал методами структурной гидрографии

Речная система как подсистема системы водных объектов – это бассейновая совокупность естественных водотоков главной реки и ее притоков, являющихся поверхностным выражением соответствующих им гидрогеологических структур (9. С. 143). При исследовании строения речной сети обычно рассматривается идеальная речная система без озер и болот, в которой участвуют только водотоки, точки слияния которых соединяются единственным образом. При рассмотрении системы водотоков речных систем (РС) оз. Байкал и мы поступили подобным же образом.

И. Н. Гарцман (2. С. 109-124) и Б.А. Казанский (8, С. 62-68) показали, что гидрологические характеристики речных систем определяются не только числом их элементов и порядком, но в большей степени взаимным соподчинением этих элементов, т.е. структурой речной сети.

Любая реальная структура речной сети уникальна в силу своей неповторимости. Поэтому в количественном отношении она может быть охарактеризована путем энтропийной (информационной) оценки степени ее разнообразия или упорядоченности (8. С. 62-68).

Начало формализованному подходу к анализу закономерностей строения речных сетей положил Р. Хортон. Практической проверкой системы Хортона является создание классификации речных систем по их величине для Восточной Сибири. Согласование исторической геологии, рельефа и климата Сибири сделало возможным построение единой схемы на всю территорию региона (10. С. 32-36).

Исследование взаимодействия текучих вод и подстилающей поверхности остается актуальным и на сегодняшний день. Оно заключается в выявлении условий формирования речных систем различных рангов и их зонирование для решения водноресурсных проблем. Не менее важной проблемой остается дефицит гидрологической информации, нерегулярность наблюдений и, чаще всего, полное их отсутствие. В связи с этим, для расчета гидрологических параметров привлекается индикационный метод, основанный на связи структурных характеристик речной сети и многолетнего стока рек.

Исследование РС выполнено по топографическим картам масштаба 1:200000 и по сети потоков, полученных автоматизированной оцифровкой по совокупности линий тока (тальвегов) на поверхности бассейнов без учета озер и болот. Информация по топографическим картам соответствует устойчивому среднемноголетнему стоку, а сеть потоков автоматизированной оцифровки – цифровая модель рельефа (ЦМР), соответствует фазе максимального стока при экстремальном увлажнении.

По топографическим картам построен граф речной сети, отражающий основные черты РС. Исследование проведено с учетом морфометрии речного бассейна, мощности внешнего отдела (количество элементарных водотоков), порядка и ряда структурных характеристик (5. С. 100-103).

Цифровая модель рельефа построена по материалам радарной съемки SRTM. В миссии SRTM (STS-99, шаттл Endeavour, 11-22 февраля 2000 г.) получены трехмерные снимки более 80 % суши, расположенные в полосе между 60⁰ с.ш. и 56⁰ ю.ш, с разрешением 3 арк. сек., что эквивалентно размеру пикселя примерно 90×75 и близко к разрешению топографических карт м-ба 1:200 000 (http://srtm.csi.cgiar.org/). Эти данные выражает простой 16-битный растр, содержащий высоты над уровнем моря в каждом пикселе.. Фрагмент покрытия SRTM, охватывающий бассейн оз. Байкал, перепроектирован в эквидистантную проекцию Albers_Equal_Area_Conic и пересчитан в покрытие с квадратным пикселом размера 75×75. Процедура построения модели речной сети и определения ее параметров по ЦМР достаточно хорошо (3, 492 с.).

Обработка снимков SRTM состоит из следующих этапов [Ильичева, Амосова, 2010]:

1. расчет углов склонов (учтена энергия рельефа) (румбы) и площади водосборов (км²);

2. географическое направление стока вещества и его аккумуляция (русла рек);

3. определен порядок по классификации Хортона-Стралера.

4. определены морфометрические параметры РС бассейна озера Байкал.

По данным обработки снимков SRTM проведена оценка количества устьев водотоков, непосредственно впадающих в оз. Байкал. Их количество составляет 460. Из них постоянных водотоков насчитывается 230 (уточнено по топографическим картам масштаба 1:200 000). 30 % от общего количества составляют временные водотоки, около 20 % пади и распадки с эпизодическим стоком.

Порядок РС определялся по классификации Хортона-Стралера. Неразветвленным первичным водотокам присваивается порядковый номер П₁, при слиянии которых образуется водоток с порядком на единицу выше. Отрезок русла этого порядка увеличивает свой порядок в случае слияния с таким же или отрезком более высокого порядка.

Речные системы бассейна оз. Байкал классифицируются: I порядка – 12 рек, II порядка – 79 рек, III порядка – 76 рек, IV – 36, V порядка – 20, VI – 4 реки (рр. Бугульдейка, Тыя, Кичера, Турка), VII – р. Баргузин, VIII – р. Верхняя Ангара и IX – р. Селенга.

Следует отметить существенные различия полученных параметров при сравнении результатов по топографическим картам и автоматизированной обработки (таблица).

Таблица.

Сравнение порядкового состава некоторых речных систем бассейна оз. Байкал

Речная система (РС)	Порядок РС по картам м-ба 1:500000	Порядок РС по картам м-ба 1:200000	Порядок РС по ГИС-модели
Утулик	4	4	5
Хара-Мурин	4	5	5
Снежная	3	5	5
Кика	5	5	5
Турка	5	5	6
Тыя	5	5	6
Бугульдейка	5	5	6
Баргузин	6	7	7
Верхняя Ангара	6	7	8
Селенга	7	8	9

Порядок основных речных систем увеличивается на разряд, а в ряде случаев и более. Анализ показал, что по данным SRTM получается порядок не речной системы, а и всей водно-эрозионной сети.

Для обеспеченных достоверной гидрологической информацией речных бассейнов оз. Байкал установлены индикационные зависимости между структурными мерами (М_стр) и средними многолетними расходами воды стандартной сети наблюдений (Q, м³/с). За основной расчетный параметр нами принят структурный модуль (М_стр), который представляет собой отношение расхода воды в створе к суммарной энтропии в этой точке (м³/с·бит). Данный параметр является индикатором гидрологических процессов (1).

Суммарная энтропияучитывает количество элементов, их распределение, взаимосвязи, характер упорядоченности, соподчиненности или разнообразия. В качестве меры используется магнитуда любого звена речной сети, т.е. количество водотоков первого порядка (бит).

Энтропийные характеристики позволяют провести структурно-гидрографическое районирование по условиям формирования стока, и такая характеристика как структурный модуль позволяет выявить речные бассейны с азональными условиями стокоформирования. Так в бассейне р. Джиды (левобережный приток р. Селенги), в устьевой области, наблюдаются многочисленные притоки со слепыми устьями, с подрусловым стоком, а также аномально низкий сток р. Желтура. Можно предположить, что расчетная водоносность окажется несколько выше, чем в створе стандартной сети наблюдений (р. Джида – ст. Джида).

Для бассейна р. Джиды предложено районирование бассейна по условиям формирования стока (рисунок) (4. 188 с.).

Более благоприятные условия для стекания водных масс по русловой сети находятся в верхней части бассейна, где величина структурного модуля наибольшая. Эта территория - область формирования стока. Речная сеть этой области насыщена водотоками низких порядков. Функционально часть речной сети бассейна до впадения р. Желтуры можно отнести к области транзита водных масс. Для этого района характерным является наличие главной реки и стабильных притоков младших порядков. Устьевая область бассейна отнесена к району с неблагоприятными условиями формирования водного стока. Русловая сеть не формирует системы высоких порядков, сток этих рек эпизодический.

Рисунок 1. Бассейн реки Джида. Структурно-гидрографическое районирование

Также для оценки водоносности рек, при выделении факторов, не связанных с обводненностью территории, представляет интерес такой топологический параметр как гидроморфологический коэффициент (ГМК). Гидроморфологический коэффициент (γ_Q) – величина, соответствующая длине речной сети, необходимой для формирования среднего многолетнего расхода воды в 1 м³/с, и определяется отношением суммарной протяженности речной системы L_n (км) порядка N к среднему многолетнему расходу воды в замыкающем створе системы Q_к (м³/с). В отличие от густоты речной сети (γ_F) ГМК в большей мере неклиматический показатель подстилающей поверхности и индицирует геологические и геоморфологические особенности речного бассейна.

Исходя из индикационных свойств этого параметра выделены стадии развития суббассейнов. Речные системы Селенги и Анги относятся к «древнейшим» на исследуемой территории. Речные системы на стадии зрелости дренируют западные склоны байкальского обрамления, они представлены средним и малым классом и крупной системой р. Баргузина. Речные системы восточного, южного и северного макросклона Байкала, дренирующие горные хребты, долины которых заложены по современным тектоническим зонам, относительно молодые. Означенные различия обусловлены историческим взаимодействием геолого-тектонических процессов и формированием водно-эрозионной сети бассейна.

По распределению значений гидроморфологического коэффициента внутри суббассейнов можно выделить районы с отличными его значениями.

В суббассейне р. Селенги также выделяются три района. Первый район характеризуется значениями 100-400 км·с/м³, речные системы которого относятся к стадии молодости. Это бассейны нижнего течения р. Селенги (рр. Джида, Чикой, Хилок и Уда). Бассейны рек Мурэн и Эгийн-Гол - представители зрелой стадии развития (γ_Q=400-600 км·с/м³). Третий район со значениями гидроморфологического коэффициента более 600 км·с/м³, характеризуется древней стадией, за счет которых весь бассейн относится к этой стадии. Это речные системы Идэр и Орхон (6. С. 46-47).

Детально определить все звенья эрозионной сети территории, формирующие впоследствии русловой сток с речного бассейна, возможно с использованием цифровой модели рельефа. Для морфометрической оценки эрозионного расчленения может быть использован порядковый состав речных систем.

Для бассейна р. Селенги, включая его монгольскую часть, по ЦМР определен коэффициент эрозионного расчленения, который представляет собой соотношение суммарной протяженности водно-эрозионной сети к единице площади водосбора.

По степени расчленения рельефа использованы градации: слабая – коэффициент эрозионного расчленения менее 0,70 км/км², средняя – от 0,70 до 1,0, сильная – от 1,0 до 1,5 и очень сильная – более 1,5 км/км².

Анализ эрозионного расчленения позволяет сделать вывод о том, что большая часть территории бассейна (62,5 %) характеризуется средней расчлененностью, незначительная часть территории (только для основных крупных речных систем бассейна) имеет сильное расчленение (12,5 %) и слабое расчленение – 25 % территории.

Если рассмотреть градации степени расчленения рельефа и его высоту, можно проследить закономерность. Слабая расчлененность находится в пределах высот от 1000 до 1200 м, средняя – от 800 до 900 м и от 1200 до 1900 м, сильная – 1400-1500 м.

Если предпринять попытку районирования эрозионного расчленения, то картина будет выглядеть следующим образом. С юга на север прослеживается неравномерное изменение коэффициента эрозионного расчленении. Верхняя и нижняя часть бассейна характеризуется средней расчлененностью (рр. Мурэн, Идэр, Орхон, Хилок, Уда), средняя часть – слабой (рр. Джида, Чикой), и исключение составляет р. Эгийн-Гол – бассейн имеет сильное расчленение.

Для бассейна в целом значение коэффициента эрозионного расчленения составляет 0,77 км/км², что говорит, в принципе, о благоприятных условиях формирования стока.

Полученная структурная информация позволяет провести детальное картографирование водоносности речных систем. На основе методов структурной гидрографии нами создана карта «Водные ресурсы и водопотребление бассейна оз. Байкал» для бассейна р. Селенги. На основе карт рассчитаны водообеспеченность административных районов, значения общего, транзитного и местного стока (11. 145 с.)

Детальное структурно-гидрографическое исследование речных систем бассейна оз. Байкал решает практические задачи (например, оценка максимальной приточности), связанные с использованием и охраной водных ресурсов рек. Комплекс рассчитанных характеристик позволяет провести структурно-гидрографическое районирование бассейна озера Байкал. Применение метода расчета стока на основе структурной гидрографии и ЦМР делает возможным определить среднемноголетний и характерные величины стока мало изученных и неизученных рек в любом месте слияния водотоков. Величины экстремально возможного стока позволяют оценить зоны затопления устьевых областей и районов расположения населенных пунктов в исследуемых бассейнах (7, в печати).

Литература:

1. Амосова И.Ю., Ильичева Е.А., Корытный Л.М. Структурно-гидрографические закономерности строения речной сети Байкальской природной территории / И.Ю. Амосова и др. // Мат. Всероссийской научной конференции с участием иностранных ученых «Процессы самоорганизации в эрозионно-русловых системах и динамике речных долин» «Fluvial system – 2012». - www.channel2012.ru - Томск, 2012

2. Гарцман И.Н. Топология речных систем и гидрографические индикационные исследования / И.Н. Гарцман // Водные ресурсы, 1973, № 3. – С. 109-124.

3. Гарцман Б.И. Речные системы Дальнего Востока России: четверть века исследований / Б.И. Гарцман, В.В. Шамов, Т.С. Губарева и др. – Владивосток: Дальнаука, 2015. – 492 с.

4. Балыбина А.С., Воропай Н.Н., Гагаринова О.В., Ильичева Е.А., Кичигина Н.В., Максютова Е.В., Осипова О.П. Гидроклиматические исследования Байкальской природной территории / А.С. Балыбина и др. – Новосибирск: Гео, 2013. – 188 с.

5. Ильичева Е.А., Амосова И.Ю. Речная сеть бассейна р. Селенги / Е.А. Ильичева, И.Ю. Амосова // Динамика геосистем и оптимизация природопользования: Материалы международной конференции, посвященной 105-летию со дня рождения академика Виктора Борисовича Сочавы. – Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2010. – С. 100-103.

6. Ильичева Е.А., Амосова И.Ю. Водно-эрозионная система бассейна р. Селенги. / Е.И. Ильичева, И.Ю. Амосова // III международная конференция «Ресурсы, окружающая среда и устойчивое региональное развитие в Северо-Восточной Азии», Владивосток, 2016. – С. 46-47.

7. Ильичева Е.А., Амосова И.Ю. Оценка экстремального стока рек западного побережья озера Байкал / Е.И. Ильичева, И.Ю. Амосова // IV Всероссийская научная конференция с международным участием "Экологический риск ", 2017. – в печати.

8. Казанский Б.А. Количественная характеристика структуры речных систем / Б.А. Казанский // Тр. ДВНИГМИ, 1976, вып. 54. – С. 62-68.

9. Карасев М.С., Худяков Г.И. Речные системы: На примере Дальнего Востока / М.С. Карасев, Г.Н. Худяков. - М.: Наука, 1984. – 143 с.

10. Корытный Л.М. Классификация речных систем Сибири по их величине / Л.М. Корытный // География и природные ресурсы. – 1985. - № 4. – С. 32-36

11. Экологический атлас бассейна озера Байкал. – Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2015. – 145 с.

Белоусов Владислав Юрьевич,

Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт географии им. В.Б. Сочавы СО РАН аспирант

Дата добавления: 2019-01-14; просмотров: 191; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 49 50 51 52 535455 56 57 58 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!