Исследования техногенных и сельскохозяйственных оврагов в Удмуртии с применением ГИС-технологий

_ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_49

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1

Исследования физико-географических особенностей региона

УДК 551.435 (470.51) И.И. Григорьев, И.И. Рысин

ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕХНОГЕННЫХ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОВРАГОВ В УДМУРТИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ

Представлена классификация оврагов, развивающихся вследствие влияния деятельности человека. Установлены значения скоростей роста сельскохозяйственных и техногенных оврагов за период с 1978 по 2007 гг. Определены факторы, влияющие на развитие антропогенной эрозии.

Ключевые слова: Техногенные овраги, сельскохозяйственные овраги, Удмуртия, картографирование, геоинформационные технологии.

В последние годы отмечается возросший интерес к изучению овражной эрозии, развивающейся в условиях техногенных ландшафтов. Как известно, наиболее простым и научно обоснованным является деление всех оврагов по происхождению на естественные и антропогенные [1]. Появление естественных оврагов вызывается целым рядом природных процессов: боковая эрозия рек, оползни, карст, суффозия, катастрофические ливни и др. Антропогенные овраги своим появлением и развитием обязаны, прежде всего, хозяйственной деятельности человека, влияющей на состояние природных ландшафтов. Если ранее основной причиной оврагообразования была сельскохозяйственная деятельность людей (расширение пахотных земель), то в настоящее время возрастает доля техногенно обусловленных оврагов (в населенных пунктах, при прокладке дорог, трубопроводов, добыче полезных ископаемых). В этой группе оврагов по характеру воздействия мы выделяем три подгруппы -«придорожные», «промышленно-стоковые» и «урбаногенные».

Придорожные овраги мы относим к техногенным, поскольку при строительстве как шоссейных, так и грунтовых дорог используется большое количество различной техники, а также перемещаются огромные объемы грунта и других строительных материалов. Следствием вышеперечисленных мероприятий является техногенное изменение рельефа и, следовательно, водосборов. Происходит перераспределение стока во вновь образованных водосборных бассейнах и появление эрозионных форм.

Промышленно-стоковые овраги встречаются реже. Связано это, прежде всего, с более локальным распространением объектов, имеющих сток промышленных вод. Для образования таких оврагов необходимо нарушение правил выпуска сточных промышленных вод с территории объекта и игнорирование рельефа окружающей местности. В качестве примера можно привести

участки по добыче нефти и полезных ископаемых (карьеры), строительные площадки, места прорывов трубопроводов и т.п.

Урбаногенные, или городские, овраги, по мнению С.Н. Ковалева [2], выделяются в отдельную группу, так как являются следствием процессов и явлений, присущим только городским территориям. К данной группе мы относим также овраги, развивающиеся в пределах крупных населенных пунктов сельского типа.

Для четкого пространственного восприятия расположения объектов наблюдения на исследуемой территории необходимо иметь разномасштабный картографический материал, создание и использование которого осуществляется с помощью геоинформационных систем (ГИС) [3]. Наряду с обычным определением положения какого-либо оврага на карте необходим разносторонний и комплексный анализ всей овражно-балочной сети и водосборного бассейна, включающий как простые морфометрические, так и сложные мор-фодинамические показатели.

Для этого с помощью ГИС-технологий нами создается комплекс разномасштабных картографических изображений ключевых участков по наблюдению за развитием овражной эрозии на территории Удмуртской Республики (УР), построенных в определенной последовательности:

1) цифровая карта рельефа УР с сечением горизонталей 20 м в масштабе 1:100 000;

2) карты элементарных бассейнов с морфометрическими показателями и эрозионными характеристиками в масштабе 1:200 000;

3) гопографические планы оврагов в масштабе 1:200 или 1:500.

В настоящее время создание цифровой карты рельефа Удмуртии и карт элементарных бассейнов в среде МарШо и АгсУ1сл' завершено. Разработана технология геоинформационного картографирования на основе использования созданных баз данных и цифровых картографических основ [4]. Результатом векторизации являлись файлы формата МШ/МГО - обменного формата системы Мар1ийэ. Все полученные таким образом электронные картографические слои конвертировались с помощью «Универсального транслятора» в файлы формата - обменного формата системы АгсУ1сл'. Создана также цифровая общегеографическая карта УР в масштабе 1:200 000, служащая основой для создания карты элементарных речных бассейнов, выбранных в качестве основной операционной территориальной единицы (ОТЕ).

В практике наших исследований нашли применение такие ОТЕ, как ключевые участки и речные бассейны. Чаще всего при проведении эрозионных исследований ограничивают размеры бассейнов в соответствии с масштабом работ, давая ему определение элементарного. В этом случае наиболее обоснованной считается процедура выделения бассейнов по порядку гидрографической сети [5]. В основе выделения элементарных речных бассейнов была использована порядковая классификация рек Философова-Стралера. На территории Удмуртии по топографическим картам с масштабом 1:100000 было выделено 1285 элементарных бассейнов, преимущественно 2-го, реже 1-го и 3-го порядков средней площадью около 34 км2 [6]. Выбор речных бас-

Исследования техногенных и сельскохозяйственных... 51

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1

сейнов в качестве основной территориальной единицы анализа обусловливался рядом их преимуществ перед другими типами ОТЕ [5]:

• речной бассейн отвечает всем условиям, присущим геосистемам, то есть целостности, уникальности, иерархичности, устойчивости, саморегулирования, структурности, функциональности и т.д.;

• Объективность и относительная простота выделения границ однопорядко-вых бассейнов, повышают репрезентативность территориальных единиц;

• Бассейны с максимальной достоверностью позволяют моделировать процессы эрозии, стока с использованием традиционных методов и ГИС-технологий и ряд других преимуществ.

Созданная база данных и цифровая карта элементарных речных бассейнов использовались для формирования тематических карт эрозионных процессов и факторов, их обусллвливающих. На основе карт элементарных бассейнов были построены следующие цифровые тематические карты:

1) густоты и плотности оврагов (современной и прежней);

2) густоты балочной, долинной и балочно-долинной сети;

3) глубин местных базисов эрозии;

4) средних длин линий стока и средних длин склонов;

5) средних уклонов поверхности;

6) лесистости;

7) средней мощности делювиально-солифлюкционных суглинков;

8) гидрометеорологических показателей и ряд других факторных карт (рис.1).

Для создания топографических планов исследуемых ежегодно объектов используется программный комплекс «CREDO» [7]. Комплекс программных продуктов «CREDO» представляет собой многофункциональную систему, обеспечивающую автоматизированную обработку инженерных изысканий, подготовку данных для различных геоинформационных систем, создание и инженерное использование цифровых моделей местности.

Работы по созданию топографических планов вершин оврагов были начаты в 2000 г. С тех пор на 13 активно растущих оврагах ежегодно проводятся работы по тахеометрической съемке. С 2002 г., в связи с приобретением электронного тахеометра «Trimble 3305», представляющего измерения в электронном виде, обработка ведется автоматическими методами. Получаемые топографические планы разных лет позволяют прослеживать динамику оврагообразования и получать количественные показатели развития оврагов различных типов [8].

Помимо создания топографических планов программный комплекс «CREDO» позволяет создавать картограммы объемов оврагов, используя точные геодезические методы. Ежегодный подсчет объемов позволит получить данные не только о плановом положении, но и об объемах выносимого оврагом грунта за год. Кроме того, используя высокоточные геодезические съемки оврагов и соответствующее программное обеспечение, возможно создание 3D-изображений оврагов.

1

i a- r«

»- ja

Я  60

Ci 20 4J ытгометры

Рис. 1. Карта современной густоты оврагов территории УР, построенная с применением ГИС

Исследования техногенных и сельскохозяйственных...

53

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

С 1978 г. нами проводятся регулярные наблюдения за развитием различных типов оврагов на территории УР в пределах 28 ключевых участков [6]. В последние годы количество их возросло до 168, среди которых 9 оврагов являются техногенными. В период с 2002 по 2007 г. наблюдениями были дополнительно охвачены еще 10 техногенных оврагов и их общее количество достигло 19.

Имеющийся в настоящее время материал позволяет подвести некоторые итоги по анализу скоростей роста техногенных и сельскохозяйственных оврагов (рис.2).

1. В 1979 г. рост сельскохозяйственных оврагов оказался самым высоким за весь период наблюдений (2,7 м/год), что связано с аномальными природными условиями; прирост техногенных оврагов оказался еще выше (3,9 м/год), но по сравнению с последующими годами прирост их оказывается лишь на среднем уровне.

2. В 1983-1984 гг. произошел спад активности развития сельскохозяйственных оврагов, в то время как рост техногенных оврагов достиг максимума за весь период наблюдения - 14,95 м/год. Подобная картина повторялась в 1987, 2002 и 2007 гг. В 1985 и 1988 гг. рост сельскохозяйственных оврагов увеличился, в то время как активность техногенных снижалась.

16

1 2

*-3

<л <л <л <л

CN CN CN CN

T, годы

Рис. 2 Графики роста техногенных и сельскохозяйственных оврагов на территории УР за период 1978-2007 гг.: 1 - техногенные овраги, 2 - сельскохозяйственные овраги, 3 - все овраги

3. В период с 1989 по 2001 гг. смена периодов увеличения и уменьшения прироста как техногенных, так и сельскохозяйственных оврагов в целом совпадала, но показатели прироста техногенных оврагов на порядок выше. При этом для техногенных оврагов характерны довольно резкие скачки в показателях, что не характерно для сельскохозяйственных оврагов.

4. В отдельные годы (1978, 1980, 1981 и 1999) прирост техногенных оврагов оказался ниже прироста сельскохозяйственных оврагов, что также подтверждает скачкообразное и неравномерное развитие техногенных оврагов, обусловленное преимущественно специфической хозяйственной деятельностью.

5. В целом для динамики развития оврагов характерен нисходящий тренд. В 2006 г. скорость роста сельскохозяйственных оврагов достигла минимума за 30-летний период наблюдения - 0,1 м/год, но в 2007 г. этот показатель несколько увеличился.

Какой-либо территориальной дифференциации средних скоростей роста оврагов не наблюдается. Также необходимо отметить, что большая часть сельскохозяйственных оврагов имеет в последние годы незначительный прирост -менее 0,1 м/год. Большинство же техногенных оврагов развивается активно.

Изучение особенностей динамики и морфометрии техногенных оврагов нами начато в 2002 г. За прошедшие 5 лет наблюдений получены первые результаты и выводы.

Основная часть промышленно-стоковых оврагов находится на территории нефтяных месторождений и развитие их вызвано действием дождевых и талых вод, стекающих через организованный слив с территории площадок нефтедобычи. Подобные овраги обнаружены на территории Ельниковского месторождения нефти у пос. Соколовка. За 5 лет наблюдений их среднегодовая скорость изменялась от 0,01 до 0,81 м/год (табл.1). Столь незначительный прирост, несмотря на расположение на крутом склоне, объясняется небольшой водосборной площадью, ограниченной дорожной насыпью и трудно размываемым составом коренных пород.

Летом 2003 г. по одному оврагу взято под наблюдение на участках, расположенных в Гремихинском, Медведевском и Быгинском нефтяных месторождениях. Особенно активное развитие получил овраг на Гремихинском месторождении - средний прирост его составил 1,27 м/год, а максимальный -3,22 м/год. Летом 2006 г. под наблюдение взят еще один овраг, расположенный на территории Каракулинского нефтяного месторождения (табл.1).

К числу придорожных, рассматриваемых нами, относятся 8 оврагов. По скоростям прироста различия между ними довольно существенны. Придорожный овраг №106, развивающийся в делювиально-солифлюкционных суглинках, является своего рода рекордсменом по скорости роста среди всех наблюдаемых оврагов на территории УР. Средняя скорость его роста за 26-летний период наблюдений составила 23,7 м/год. При анализе данных отмечается, что развитие его происходило сильными скачками с максимумами в 1984, 1987, 1991, 1994 и 1998 гг. и минимумами в 1986, 1989, 1993 и 1996 гг. С 2001 г. активный рост его прекратился (не более 0,1 м/год), что связано с тем, что вершина оврага достигла густых зарослей кустарника и существенно уменьшилась водосборная площадь.

Исследования техногенных и сельскохозяйственных... 55

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ 2008. Вып. 1

Таблица 1

Прирост техногенных оврагов за период 2003 - 2007 годы

Номер оврага (ключевой участок) Прирост оврагов, м/год

2003 2004 2005 2006 2007 среднее

1 (Соколовка) 0,06 0,05 0,05 0,03 0,01 0,04

2(Соколовка) 0,15 0,25 0,10 0,15 0,03 0,13

3(Соколовка) 0,74 0,25 0,20 0,10 0,02 0,26

4 (Соколовка) 0,08 0,81 0,25 0,45 0,50 0,42

5 (Гремиха) - 3,22 0,19 1,00 0,65 1,27

6 (Забегалово) - 1,82 0,02 0,15 0,50 0,62

7 (Быги) - 0,35 0,40 0,25 0,45 0,36

8 (Медведево) - 0,15 0,55 0,30 0,90 0,48

9 (Медведево) - - - - 1,90 1,90

10 (Каракулино) - - - - 0,70 0,70

Итого: 0,26 0,86 0,22 0,30 0,57 0,44

Среди оврагов с 30-летним периодом наблюдений выделяется овраг №48. На графике также отмечается его скачкообразное развитие с максимумами в 1979, 1984, 1993, 1997, 2002 и 2004 гг. (рис.3). Причем пики роста в 1984, 1993, 1997 и 2007 гг. совпадают с общим спадом в развитии других придорожных оврагов, что указывает о сильном влиянии на его развитие строительства насыпной дороги. Средняя скорость роста для него составила за 30 лет наблюдений 2,6 м/год, что связано также с глубиной местного базиса эрозии и с составом размываемых пород (делювиально-солифлюкционные суглинки). Что касается других придорожных оврагов, скорости их роста отличаются друг от друга незначительно, а периоды роста и спада развития в целом совпадают.

Среди недавно наблюдаемых оврагов придорожными являются только два - №6 у д. Забегалово и №9 у д. Медведево Завьяловского района УР. Средняя скорость прироста оврага №6 за 4 наблюдаемых года составила 0,62 м/год, что несколько выше среднего показателя по всем наблюдаемым оврагам (табл. 1). Однако необходимо отметить, что данный овраг обладает большим потенциалом роста. Связано это, во-первых, с его расположением на относительно крутом склоне, невыработанным профилем равновесия и составом легкораз-мываемых пород. Во-вторых, со стоком используемой для орошения воды с вышележащего по склону садоогородного массива. И, в-третьих, что наиболее существенно, с концентрацией талых и дождевых вод близлежащей дорожной насыпью. Овраг №9 за первый год наблюдений вырос на 1,82 м (табл.1). Активизация эрозионного процесса началась после строительства дороги с водоотводной трубой, концентрирующей естественный сток. Исходя из того, что вершина нового оврага находится уже в нескольких метрах от насыпи, то в самое ближайшее время следует ожидать размыва насыпи, а также глубинного и бокового расширения вершины оврага.

2 0,00 1 8,00 1 6,00 1 4,00 1 2,00 1 0,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

68

(ooococooooiQoiQQ

OiOiOiOiOiOiOiOiOiOiOi

T, годы

0246 0000 0000 2222

— -№36

—— -№48

—A- №61

—X- -№94

—Ж- -№159

Рис. 3 Графики ежегодного прироста придорожных оврагов на территории УР за период 1978 - 2007 годы.

Отдельно следует упомянуть о трех оврагах, развивающихся на крутом левом берегу р. Вятка на территории с. Крымская Слудка. Береговой уступ в данном районе очень сильно размывается рекой, что провоцирует возникновение различных эрозионных процессов, в том числе оползней и оврагов. Однако в случае с оврагами необходимо отметить, что на их рост, помимо природных факторов (крутой незадернованный уступ, большая глубина местного базиса эрозии, легко размываемые плейстоценовые перигляциаль-ные суглинки), большое значение имеет и человеческий фактор. Так, наблюдаемые нами овраги развиваются вдоль улиц села перпендикулярно берегу. По этим улицам проходят дренажные канавы, концентрирующие сток с территории населенного пункта и также способствующие усиленному росту этих оврагов. В результате среднегодовой прирост их составил за 30 лет наблюдений от 0,74 до 2,92 м. Для всех оврагов четко выделяется 3 максимума: в 1979, 1991 и 2001 гг. (рис. 4). После 2003 г. синхронность в развитии оврагов ослабла. Так, овраг №119 в 2004 г. исчез, так как коренной берег р. Вятка отступал быстрее роста вершины оврага. Вершина оврага №120 достигла фундаментов расположенных раньше здесь построек, что вызвало некоторое замедление скорости его роста.

Максимальный прирост был зафиксирован в 2001 г. у оврага №118, он составил 21,80 м. В 2007 г. скачок в его годовом приросте вновь повторился -21,75 м. Подобный рост близок к катастрофическому, что вызывает серьезные опасения сельской администрации, поскольку овраг вплотную приблизился к жилому дому. Сооружаемые местными жителями привершинные

Исследования техногенных и сельскохозяйственных.

БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ

57

-♦— №118 --№119 -а-№120

22,00 20,00 18,00 16,00 ч 14,00 2 12,00 Ч 10,00 > 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00

юом^юшом^ююом^ю г^сососососоотототототоооо отототототототототототоооо

т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-т-СЧСЧСЧСЧ

Т, годы

Рис. 4. Графики ежегодного прироста урбаногенных оврагов на ключевом участке «Крымская Слудка» за период 1978 - 2007 годы.

земляные валы овраг постоянно размывает. Следуя предложенной выше классификации, данные овраги можно отнести к урбаногенным, то есть развивающимся в пределах населенного пункта и вследствие прямого вмешательства человека в эрозионный процесс.

Таким образом, скорости роста техногенных и сельскохозяйственных оврагов на территории Удмуртии имеют большие различия. При этом для сельскохозяйственных оврагов характерна тенденция к затуханию их активности. Техногенные же овраги, наоборот, активизируются в своем развитии. Основным фактором, влияющим на это, является техногенная деятельность человека: строительство и эксплуатация дорог и различных промышленных объектов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зорина Е.Ф. Овражная эрозия: закономерности и потенциал развития. - М.: Геос, 2003. - 168 с.

2. Ковалев С.Н. Воздействие овражно-балочных систем на планировку городов (на примере Поволжья) // Эрозионно-аккумулятивные процессы в бассейне верхней и средней Волги. - Ижевск: Изд. дом «Удмуртский университет», 2005. - С. 115-127.

3. Трифонова Т.А., Мищенко Н.В., Краснощеков А.Н. Геоинформационные системы и дистанционное зондирование в экологических исследованиях: учеб. пособие для вузов. - М.: Академический Проект, 2005. - 352 с.

4. Цветков В.Я. Геоинформационные системы и технологии. - М.: Финансы и статистика, 1998. - 287 с.

5. Ермолаев О.П. Эрозия в бассейновых геосистемах. - Казань: Изд-во «УНИПРЕСС», 2002. - 264 с.

6. Рысин И.И. Овражная эрозия в Удмуртии. - Ижевск: Изд-во Удм. ун-та, 1998. - 274 с.

7. Григорьев И.И., Рысин И.И. Использование программного комплекса «CREDO» для создания эрозионной геоинформационной системы//Проблемы флювиальной геоморфологии (материалы XXIX Пленума Геоморфологической Комиссии РАН). - Ижевск: Ассоциация «Научная книга», 2006. - С. 210-213.

8. Григорьев И.И. Создание геоинформационной системы овражной эрозии на территории Удмуртской Республики // Наука Удмуртии. - 2006, №4. - С. 143-151.

Поступила в редакцию 05.05.08

I.I. Grigoriev, I.I. Rysin

Researches of agricultural and technogenic ravines in Udmurtia using GIS technology

The classification of ravines growing under the anthropogenic influence is represented. The

intensity of agricultural and technogenic ravines growth for the period of 1978 to 2007 yrs.

has been estimated. The factors influencing the development of anthropogenic erosion are

determined.

Григорьев Иван Иванович

ГОУВПО «Удмуртский государственный университет» 426034, Россия, г. Ижевск, ул. Университетская, 1 (корп. 4) Е-таП: geo@uni.udm.ru.

Рысин Иван Иванович

ГОУВПО «Удмуртский государственный университет»

426034, Россия, г. Ижевск,

ул. Университетская, 1

Е-таП: тш@иш. Мт. ги.