Использование разновременных геоизображений в изучении факторов динамики пойменно-русловых комплексов (на примере бассейна верхнего Днепра)

УДК 556.537

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗНОВРЕМЕННЫХ ГЕОИЗОБРАЖЕНИЙ В ИЗУЧЕНИИ ФАКТОРОВ ДИНАМИКИ ПОЙМЕННО-РУСЛОВЫХ КОМПЛЕКСОВ

Г.В.Лобанов, М.А.Новикова, А.В.Полякова, М.В. Коханько, Б.В.Тришкин

Рассмотрены возможности ретроспективного анализа разновременных геоизображений для установления динамики пойменно-русловых комплексов. Представлены графические модели ключевых объектов, сравнение конфигурации которых позволяет выявить перестройки русла разного масштаба. Ключевые слова: пойменно-русловые комплексы, геоизображения, историческое русловедение

Сопоставление разновременных геоизображений используется для ретроспективного анализа динамики пойменно-русловых комплексов (ПРК), оценки и прогноза их устойчивости [1]. Показателем устойчивости в рамках подхода является интенсивность морфологических и морфометрических изменений на участках, определённых как ключевые. В зависимости от масштаба исследований ключевые участки могут быть представлены русловыми формами разных порядков и их элементами: фронтами размыва излучин, сериями излучин, протяжёнными отрезками русла разного морфодинамического типа. Морфометрические изменения оцениваются скоростью отступания берегового уступа, морфологические - соотношением размерностей элементов русловых форм.

Общее направление динамики некоторого отрезка течения или реки в целом характеризуют типичные сочетания изменений и в то же время возможны их иные варианты, реализующиеся с меньшей степенью вероятности. Проявление разных типов динамики ПРК при несущественных отличиях определяющих её факторов является особенностью, отмеченной для ПРК в разных физико-географических условиях [2; 4]. Вероятностный характер динамики отражает проблемы оценки значимости факторов, связанных с двумя взаимосвязанными причинами - недостатком данных об их показателях и объективными ограничениями моделей руслового процесса. Состояние факторов динамики на протяжённых отрезках течения характеризуется параметрами некоторого небольшого количества ключевых объектов за ограниченный промежуток времени. Наблюдения на стационарных ключевых объектах (гидропостах) продолжаются несколько десятилетий; на временных, используемых для экспедиционных исследований или инженерных изысканий несколько лет. Заметные преобразования конфигурации русла происходят на равнинных реках с меньшей скоростью [3]. Объективные ограничения связаны с общенаучной проблемой построения динамических моделей - учёта предыдущей истории развития объектов. Статические модели руслового процесса, распространённые в настоящее время, не учитывают общей направленности динамики русла, которая существенно влияет на результат прогноза при сходных сочетаниях факторов [4].

Перспективы построения динамических моделей ПРК связаны с типизацией изменений их морфологических характеристик. Тип динамики выявляется визуально - сравнением состояний ключевых морфологических элементов ландшафта за многолетний период времени [5]. Основные особенности динамики подобны для большинства морфологических элементов, хотя для отдельных объектов возможны асинхронные или противоположные изменения. Принципом типизации динамики является выделение изменений, повторяющихся в большинстве русловых форм или их серий в границах морфологически подобных отрезков течения.

Источниками данных о состоянии ПРК могут быть геоизображения (карты, межевые планы, космические и аэрофотоснимки), статистические материалы, отдельные описания рек или их участков [6]. Отличия целей и подходов к составлению материалов ограничивают возможности прямого сопоставления источников разных лет создания. Для картографических материалов ограничения существуют по сопоставлению атрибутивных (количественных и качественных) и пространственных характеристик объектов. В оценке изменений атрибутивных характеристик объектов следует учитывать разные подходы и требования к их описанию; пространственных характеристик - разную математическую основу геоизображений.

Объекты и методы исследований

Возможности и ограничения метода сопоставления геоизображений разных лет для выделения типов динамики рассмотрены на примере левых притоков р. Десна в её среднем течении - рек Навля и Снежеть.

Река Снежеть - левый приток Десны, во всем течении расположенный на территории Брянской области (Брянский и Карачевский районы). Длина реки - 86 км, площадь бассейна - 1250 км2. среднемноголетний расход воды - 6,53 м3/с [8]. Река Навля - левый приток Десны, протекающий по территории Орловской и Брянской областей, длина реки- 125 км., площадь водосбора - 2242 км2, среднемноголетний расход 36 м3/с.

По размеру эти реки относят к группе малых, причём Снежеть является типичным представителем группы по морфометрическим характеристикам, а Навля относится к более крупным водотокам и по некоторым классификационным схемам может быть отнесена к средним рекам [7]. Выбор рек как объекта анализа обусловлен разнообразием ландшафтной структуры бассейнов и неодинаковой интенсивностью хозяйственной деятельности на разных отрезках течения. Степень согласованности изменений русловых форм в пределах отрезков течения с одинаковым типом ландшафтов и уровнем антропогенного воздействия позволяет обоснованно судить о значимости факторов динамики.

Реки пересекают в верхнем течении - эрозионные ландшафты, в среднем предполесские (бассейн Снежети) и предопольские (бассейн Навли), в нижнем течении - полесские и долинные (рис. 1-2).

Особенности антропогенного воздействия на реки несколько различаются. В староосвоенных верховьях Снежети и Навли воздействие связано с сельскохозяйственным использованием территории и соответственно изменением условий стока, в 18-19 веках -строительством водяных мельниц. Нижнее течение р. Снежеть значительно изменено строительством мостовых переходов железных и шоссейных дорог и водохранилищем в пос. Белые Берега. Средний отрезок течения не испытывает существенной антропогенной нагрузки. Для р. Навля наименее затронут антропогенным воздействием нижний отрезок течения, в среднем течении расположен крупный населенный пункт - пгт Навля, здесь реку пересекают автомобильные и железнодорожный мосты.

Рисунок - 2 Картосхема бассейна р. Навля в границах модельного участка

Сопоставление выполнено по ключевым отрезкам русла меандрирующего типа, отличающимся физико-географическими условиями соответствующей части бассейна и степенью антропогенного воздействия на него. Принцип выделения ключевых объектов обоснован представлением о высокой значимости влияния обозначенных факторов на динамику ПРК рек этого ранга [9].

В течении р. Снежеть выделено 4 ключевых отрезка - два на участке течения с полесским типом ландшафта (с разным уровнем антропогенного воздействия); по одному - на участках с предполесским и эрозионным типами ландшафта в староосвоенной части бассейна. Для р. Навля определены три ключевых отрезка - один в полесских ландшафтах в нижней, малоосвоенной части бассейна, два - в староосвоенной части в предопольских и эрозионных ландшафтах.

Для уменьшения влияния генерализации использованы картографические материалы с близкими значениями масштаба, но возможности их сопоставления ограничены разными целями создания, подходами к составлению и способами картографического изображения гидрологических объектов.

Исходное для анализа состояние ПРК получено из планов генерального межевания (ПГМ) - картографических материалов с масштабом 1 дюйм 2 версты (1:84000), характеризующих состояние местности на 1780-1790 гг. Планы созданы для установления границ земельных владений собственников земли (отдельных лиц, крестьянских общин, городов, церквей и др.) в границах уездов. В работе использованы ПГМ Брянского, Карачевского, Трубчевского и Севского уездов Орловской губернии. Основным содержанием планов являются межевые границы, кроме них нанесены населенные пункты разного размера вплоть до хуторов, мостовые переправы, мельницы. Речные системы изображены упрощённо - показаны основные изгибы русла, наиболее крупные русловые формы.

Первое математически обоснованное картографическое изображение территории представлено картами военно-топографического управления Генштаба. Серия карт, выполнена для губерний европейской части Российской Империи. Масштаб материалов - 1 дюйм 3 версты (1:126000), состояние местности на середину 60-е гг. XIX века. При составлении карт основные объекты местности - крупные населенные пункты, дороги, реки, границы губерний сняты инструментально, что в нашем случае позволяет говорить о приемлемой точности положения исследуемых объектов.

Материалы сопоставимые по математической основе представлены топографическими картами Генштаба РККА (1:100000, состояние местности на 1928-1931 год); топографическими карты (1:100000, состояние местности на 1988-1992); многозональными космическими снимками, (состояние местности 2009-2012 гг., данные Интернет-портала GoogleEarth).

Результаты исследований и их обсуждение

По разновременным геоизображениям построены графические модели ключевых объектов, которые представлены на рис. 3-4. Пойменно-русловые комплексы рек Снежеть (рис. 3.1 и 3.2) и

Навля (рис. 4.1) на участках с полесским типом ландшафтов на водоразделах испытывают разную антропогенную нагрузку. Иные отрезки течения соответствуют хозяйственно освоенным частям обоих бассейнов, малоизменённые участки здесь практически отсутствуют.

Сравнение конфигурации графических моделей для разных периодов времени позволяет выявить перестройки русла разного масштаба. Наиболее заметные переформирования прослеживаются, начиная с XVIII века: динамика сложных излучин (на рис. 3.2 А и Б; 3.4 А и Б), изменение направления течения (на рис. 4.1 А и Б). В отдельных случаях на ПГМ хорошо различаются типы излучин (сегментные, сундучные), хотя такая возможность имеется не для всех материалов, что по-видимому связано как с особенностями создания картографических изображений, так и самих объектов.

Перестройка русла на уровне отдельных форм или их серий надёжно определяется по материалам Х1Х-ХХ веков: изменение типов и морфологических параметров излучин, их количества и соотношений по типам в сериях (рис. 3-4 Б-Д).

Сложность конфигурации моделей русла при этом не зависит от времени создания материалов, а определяется, вероятнее всего изменением значимости руслоформирующих факторов.

На основании визуального анализа материалов Х1Х-ХХ веков установлена цикличность в изменении конфигурации русла. Предложен принцип определения типов динамики по изменению количества и разнообразия русловых форм. Под разнообразием понимается сочетание разных типов излучин, наличие серий русловых форм. Выделены два направления изменений, обозначенных как «усложнение» (увеличение разнообразия и количества форм) и «упрощение» (уменьшение разнообразия и количества форм).

Типы динамики различаются по периодам в зависимости от типа ландшафтов. В полесских ландшафтах усложнение конфигурации происходит во 2-ой половине Х1Х века - 30 -х гг. ХХ века и 80-е гг. ХХ века - начало ХХ1 века, упрощение в 30-80 е гг. ХХ века вне зависимости от интенсивности хозяйственного использования. В иных типах ландшафтов (предполесские, предопольские, эрозионные) упрощение конфигурации продолжается от 60-х годов Х1Х века до 80-х годов ХХ века, усложнение происходит только в последние десятилетия (согласованно с полесскими ландшафтами).

Характер динамики объясняется комплексом причин. На малоосвоенных участках полесских ландшафтов или территориях с локальным хозяйственным воздействием (мостовые переходы) изменения конфигурации, связаны, вероятно с многолетними колебаниями стока. В бассейне верхнего Днепра по материалам наблюдений конца Х1Х- начала ХХ века, установлены циклы стока разной продолжительности и устойчивости: устойчивые внутривековые -длительностью около 20 лет и долгопериодичные («вековые») с нечеткими временными границами [10]. Наиболее сложную конфигурацию имеет русло в периоды близкие максимумам стока (30-е гг. ХХ века и первое десятилетие ХХ1 века). В 30-е гг. максимумы внутривекового и векового цикла совпадают; в начале ХХ1 века максимум короткопериодичного цикла возможно соответствует пику незавершённого векового цикла. В периоды максимального стока возрастает вероятность размыва береговых уступов и соответственно усложнения конфигурации.

В иных типах ландшафтов упрощение конфигурации в конце Х1Х и почти всего ХХ века связано с аграрным использованием территории, предполагающим забор воды, активизацию эрозионных процессов и заиление русел. Усложнение конфигурации в последние два десятилетия здесь связано с падением агропроизводства, уменьшением интенсивности эрозионных процессов в водосборных бассейнах и увеличением стока.

Высокая значимость антропогенного влияния на динамику русловых форм должна учитываться в обосновании прогнозов активности русловых процессов. Прогнозы будущих изменений стока неоднозначны. С одной стороны, исходя из циклов вековых и внутривековых колебаний возможно снижение величины стока, с другой для европейской территории отмечается общая тенденция к его увеличению [11]. Таким образом, даже для малоосвоенных территорий, существует неопределённость будущей активности русловых процессов. На хозяйственно освоенных участках прогноз усложняется планируемыми мероприятиями. Возобновление землепользования на залежных землях без необходимых противоэрозионных мероприятий приведёт к заилению русел, ослаблению эрозии береговых уступов. Рациональная организация земледелия, уменьшит влияние хозяйственного использования территории на активность русловых процессов, которая будет определяться циклическими колебаниями стока разной продолжительности.

Участок I

А Б В Г Д

/ / %

Условные обозначения к рисункам 3-4

Конфигурация русла по материалам: А- планов генерального межевания, Б- карт военно-топографического управления

Долинные комплексы ** > Населенны е пункты / Железные дороги

Водораздельны е поверхности / Крупные автодороги

Рисунок 3.1 Графические модели динамики отрезков течения р. Снежеть в полесских ландшафтах в

хозяйственно освоенной части бассейна

А

Участок II устье р. Мылинка - устье р.Велимья-

Б

В

Г

Д

Рисунок 3.2 Графические модели динамики отрезков течения р. Снежеть в послесских ландшафтах в

малоосвоенной части бассейна

А

Участок III

Б

В

Г

Д

Рисунок 3.3. Графические модели динамики отрезков течения р. Снежеть в предполесских ландшафтах в

хозяйственно освоенной части бассейна

Участок IV д. Затинное - д Дубрава

А Б В Г Д

Рисунок 3.4. Графические модели динамики отрезков течения р. Снежеть в эрозионных ландшафтах в

хозяйственно освоенной части бассейна

Участок I

А Б В Г Д

р. Десна j | ft ? с п

Рисунок 4.1. Графические модели динамики отрезков течения р. Навля в полесских ландшафтах в

малоосвоенной части бассейна

Рисунок 4.2 Графическая модель динамики отрезков течения р. Навля в предполесских ландшафтах в

хозяйственно освоенной части бассейна

Рисунок 4.3 Графические модели отрезка течения р. Навля в предопольских (правобережье) и эрозионных (левобережье) ландшафтах в хозяйственно освоенной части бассейна.

The possibilities of the retrospective analysis of geoimages for dynamics establishment of floodplain-river bed complexes are considered. Graphic models of the key objects are presented, the comparison of their configuration allows to reveal the reorganizations of a channel of different scale.

The Keywords: floodplain-channel complexes, geoimages, the retrospective analysis in hydrology.

Список литературы

1. Чернов, А.В. География и геоэкологическое состояние русел и пойм рек Северной Евразии / А. В. Чернов.М. : Крона, 2009.684 с.

2. Лобанов, Г.В. Вероятностный подход в оценке устойчивости экзогенного рельефа (на примере бассейна Средней Десны) / Г.В. Лобанов, Г.В. Бастраков, Е.А. Смирнова, А.В. Полякова, М.А. Новикова // Материалы Всероссийской научной конференции «Инновации в геоэкологии: теория, практика, образование» 1617 октября 2010, г. Москва. Географический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова

3. Завадский, А.С. Результаты стационарных исследований русловых процессов на реках ЕТР / А.С. Завадский, Г.В. Лобанов,Л.Н. Петухова, И.А. Серебренникова // Эрозионные и русловые процессы: Сборник трудов под ред. Чалова Р.С.М.: Макс Пресс, 2010.Выпуск. 5. С. 220250.

4. Hooke J.M. Spatial variability, mechanisms and propagation of change in an active meandering river // Geomorphology, 2007. Vol.84. P. 277296

5. Викторов А.С. Основные проблемы математической морфологии ландшафта. М.: Наука,

2006.

6. Лобанов, Г.В. Использование данных дистанционного зондирования для решения фундаментальных и прикладных задач русловедения / Г.В. Лобанов, А.В. Полякова, Е.А. Смирнова, М.А. Новикова // Ежегодник НИИ Фундаментальных и прикладных исследований БГУ за 2010 гБрянск: РИО БГУ, 2010 С. 4350.

7. Гидрология: Учебник для Вузов / В.Н. Михайлов, А.Д. Добровольский, С.А. Добролюбов.2е изд. испр. М.: Высшая школа, 2007.463 с.

8. Природные ресурсы и окружающая среда субъектов Российской Федерации. Центральный федеральный округ. Брянская область / Администрация Брянской обл.; под ред. Н. Г. Рыбальского, Е. Д. Самотесова, А. Г. Митюкова.М.: НИИПрирода, 2007.

9. Ткачев Б.П., Булатов В.И. Малые реки: современное состояние и экологические проблемы =Small river: staeofthefact and ecological problems; Аналит. обзор /ГПНТБ СО РАННовосибирск, 2002114 с.

10. Афанасьев А.Н. Колебания гидрометеорологического режима на территории СССР. М.: Издво Наука, 1967232 С.

11. Прогноз климатической ресурсообеспеченности ВосточноЕвропейской равнины в условиях потепления XXI века:М.: МАКС Пресс, 2008.292 с.

Об авторах

Лобанов Г.В. -кандидат географических наук., доцент, Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского

Новикова М.А. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского

Полякова А.В. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского

Коханько М.В. - аспирант Брянского государственного университета имени академика И.Г. Петровского

Тришкин Б.В -кандидат биологических наук, доцент БФ МПСУ