Белгородский государственный национальный исследовательский университет
Казанский (Приволжский) федеральный университет
Геоморфологическая асимметрия разнопорядковых речных бассейнов (на примере Белгородской области)
Ф.Н. Лисецкий
Ж.А. Буряк
О.А. Маринина
г. Белгород, г. Казань, Россия
Аннотация
В результате геоморфологического анализа эрозионного потенциала 52 речных бассейнов субширотной и 39 бассейнов субмеридиональной ориентации в границах Белгородской области определена мера асимметрии каждого из них. С использованием цифровой модели рельефа, по объективно выявленным различиям экспозиции, вертикального расчленения и совместного влияния длины и крутизны склонов (рельефной функции) проведена типология парадинамических районов, которые объединяют геоморфологические ярусы на макросклоне речного бассейна. Показано, что наиболее существенными факторами интеграции парадинамических районов в геоморфологически однородные выделы выступают рельефная функция и глубина вертикального расчленения, а влияние экспозиционных различий проявляется на более низком уровне интеграции. Пространственная ориентация и порядок бассейна определяют особенности асимметрии его макросклонов. Асимметрия бассейнов субмеридиональной ориентации проявляется лишь для водотоков V-VII порядков, что показывает масштабные ограничения этой закономерности.
Ключевые слова: речной бассейн, эрозионный потенциал рельефа, асимметрия, морфометрический анализ, ГИС-технологии
Abstract
Geomorphological Asymmetry of River Basins Belonging to Different Orders (Based on the Belgorod Region)
F.N. Lisetskii, Zh.A. Buryak, O.A. Marinina
The geomorphological analysis of the erosion potential of 52 sublatitudinal and 39 submeridional river basins within the boundaries of the Belgorod region has been performed. The asymmetry of each of them has been determined. A typology of paradynamical areas has been elaborated with the help of the digital elevation model, based on the objectively detected differences of exposure, vertical dissection, and joint influence of the length and steepness of slopes (relief function). The paradynamical areas comprise the geomorphological stages on the macroslope of the river basin. It has been shown that the most significant factors of integration of the paradynamical areas into the geomorphologically homoge nous units are the relief function and vertical dissection. The effect of exposure differences occurs at a lower level of integration. The spatial orientation and order of the basin determine the features of asymmetry of its macroslopes. The asymmetry of submeridional basins appears only for the watercourses of V-VII orders, thereby indicating the scale limits of this regularity.
Keywords: river basin, soil erosion potential of relief, asymmetry, morphometric analysis, GIS technology
Введение
По современным представлениям геоморфологов [1], речной бассейн рассматривается как сложная форма рельефа, которая образуется в результате взаимодействия эндогенных и экзогенных сил и относится к денудационным формам флювиального происхождения. В бассейне как парадинамической системе формируется особое сочетание морфологических, гидрологических, климатических, почвенных условий и осуществляется активный обмен вещества и энергии [2]. Упорядоченность такой системы выражается в преобладающей направленности стока воды и наносов вниз по течению реки.
Бассейновая динамико-генетическая система склоновых ландшафтов рассматривается через совокупность причинно-следственных связей, сложившихся в бассейне и обусловившую посредством стока динамико-генетическое единство, структурно-функциональную целостность и векторную латеральную упорядоченность склоновых ландшафтов [3]. Структурные части бассейновой системы (уровневая, склоновая, пойменно-русловая) характеризуются пространственной смежностью и генетической сопряженностью.
В модели эволюции ландшафта водосбор выступает ключевым структурным элементом, поскольку особенности его рельефа и гидрофункционирования являются результатом денудационных процессов [4]. Создание флювиальных форм рельефа (долины, русла, пойм, террас), как и водосборного бассейна, не возможно без участия водных масс [5]. Согласно концепции Н.И. Маккавеева [6], именно водно-эрозионные процессы являются агентом воздействия почвенного покрова водосбора на его речную сеть.
Если в морфологической структуре ландшафтов будут определены степень расчленения и порядки эрозионных форм, то могут быть выделены одновозрастные образования, поскольку суждения об их происхождении обоснованы тем положением, что «однопорядковые долины примерно одновозрастны» и что порядок долин связан с их геологическим возрастом: чем выше порядок, тем старше долина и наоборот [7]. Понятие водосбора можно интерпретировать через представление о каскаде элементов «памяти» [8], геометрические свойства которых являются производными от порядка водотока. Каждый элемент «памяти» представляет собой результат протекания поверхностного стока, и в нем находит отражение история переотложения осадочного материала. Таким образом, речная сеть водосбора является дистрибутивной системой [9], которая перераспределяет осадочный материал и формирует геомофологические элементы современных бассейнов.
Геоморфологические исследования речных бассейнов в России в последние годы вышли на новый технологический уровень благодаря применению ГИС-технологий и СУБД. К настоящему времени создана открытая геоинформационная система речных бассейнов для Европейской территории России, которая интегрирует в геопространственной базе данных комплексную характеристику природно-ресурсного потенциала речных бассейнов, в том числе их геоморфологические параметры [10].
В бассейновых ландшафтных структурах (БЛС) под влиянием исторически сложившихся геологических, топографических и климатических условий может проявиться неоднородность, выраженная в асимметрии склонов речных долин. Чем древнее речная сеть, тем сильнее выражена асимметрия долин. Ф.Н. Мильков [2] выделял 10 генетических типов ландшафтной асимметрии (геострофическую, тектогенную, топогенную, инсоляционную и др.), к которым предложено добавить антропогенную [11]. Различают неполную и полную асимметрию рельефа [7], то есть асимметрию бассейнов в целом, а также речных систем, междуречий, долин. Если у бассейнов, близких по ориентации, отчетливо выражена асимметрия речных долин, то геоморфологическое сходство может обнаруживаться в особенностях одноэкспозиционных макросклонов смежных бассейнов.
При исследовании асимметрии водосборов используют различные подходы к ее оценке. Она может быть выражена через гидрографические и гидрологические характеристики противоположных склонов: по количеству притоков, их длине, внутригодовому распределению их поверхностного и подземного стока [12]. Установлено [13], что асимметрия дренажной сети водосбора в значительной степени определяет асимметрию речной долины, поскольку вызывает различия в стоке воды и дисбалансе поступающих наносов.
Если рассматривать бассейн как геоморфологическую систему, то для понимания причин происхождения ее асимметрии необходимы морфометрический анализ и изучение геологического строения. Наиболее простым в использовании способом оценки является расчет коэффициента асимметрии [14, 15], выраженного через отношение водосборных площадей правых и левых притоков. Морфологическая асимметрия - существенный фактор эволюции формирования ландшафтов. Особенно это касается бассейнов субширотной ориентации: из-за контрастной теплообеспеченности в таких бассейнах ярко выражены различия структуры почвенного покрова [16]. В случае, когда асимметрия выражается через высотный градиент, перепад высот противоположных макросклонов влияет на их климатические условия. Перераспределение восходящими потоками воз духа полей жидких осадков между возвышенными водоразделами и долинами может отклонить развитие ландшафтов от зональной нормы [17], что приводит к фациальной [18] и биогеоценотической [19] изменчивости геосистем.
Неоднородность рельефа речных бассейнов, вызванная асимметрией речных долин и склонов, определяет необходимость более дифференцированного подхода для геоморфологических интерпретаций. Предложено наряду с рас смотрением бассейна как гидрологически целостного объекта перейти к блоковому анализу внутрибассейнового пространства [20], при котором территория бассейна разделяется с помощью притоков соответствующего порядка.
Объекты и методы исследования
Исследования асимметрии склонов речных долин проводили в границах территории Белгородской области, расположенной преимущественно в лесостепной зоне и частично (7% площади на юго-востоке) в степной зоне. Речная система Белгородской области принадлежит к бассейнам Днепра и Дона. В основных бассейнах (кроме водосбора р. Оскол) представлены истоки рек, протяженность которых существенно увеличивается за пределами области. На территории области берут начало более 50 малых рек, которые составляют 80% общей протяженности речной сети региона [21]. С использованием методов пространственного анализа цифровой модели рельефа (ЦМР), полученной по данным радарного сканирования (SRTM с разрешением 3"), была воссоздана долинная и овражно-балочная сеть Белгородской области и построены границы бассейнов с последующим их уточнением по картам масштаба 1:50 000, а также исследована порядковая структура долинной и овражно-балочной сети [22]. Наивысший порядок организации эрозионной сети представлен бассейнами VII порядка (по системе Стралера - Философова, где элементарным водотокам (в настоящем исследовании - эрозионным формам, выделенным по ЦМР) без притоков присваивается первый порядок, а при слиянии однопорядковых водо токов порядок увеличивается на единицу).
В региональных геоморфологических и экологических исследованиях на бассейновых принципах [23-25] в качестве оптимальной операционно-территориальной единицы анализа признаны бассейны IV порядка (они занимают 65% территории области), так как с этого иерархического уровня в бассейнах с одной морфоструктурой начинают проявляться существенные геоморфологические различия по типу рельефа [26]. Поэтому объекты исследования представлены речными бассейнами IV-VII порядков.
Поскольку территория исследования ограничена административными границами Белгородской области, то периферийные БЛС фрагментированы. Ранее с использованием бассейново-административного подхода [27] обоснованы границы Белгородского эколого-гидрологического региона - относительно обособленного в гидрографическом и гидрологическом отношении целостного природ но-хозяйственного образования внутри границ Белгородской области, который является оптимальным объектом геопланирования природопользования на бассейновых принципах и организации многоуровневой системы мониторинга земельных и водных ресурсов. Из анализа были исключены периферийные бассейны, которые не обладают гидрологической целостностью (2% от площади области) и бассейны с техногенно преобразованным рельефом. Кроме того, проведено объединение небольших по площади смежных бассейнов с однонаправленными водотоками.
В результате в исследовательскую выборку вошел 91 речной бассейн, после чего она была разделена на две группы: 69 бассейнов IV порядка и 22 бассейна (или прирусловых территорий) V-VII порядков.
При выделении субмеридиональных и субширотных видов бассейнов для русла главного водотока был вычислен азимут, а затем угол отклонения от оси меридиана (г). В случаях, когда у рек отмечено резкое изменение направления течения, азимут русла рассчитывали по средневзвешенному значению для прямых отрезков. В результате выделено 52 бассейна преимущественно субширотного (г > 45°) и 39 субмеридионального (г < 45°) направлений.
В речных бассейнах Белгородской области преобладающими флювиальными процессами рельефообразования выступают поверхностный смыв почвогрунтов и линейная эрозия. Поэтому для оценки геоморфологической составляющей симметрии и асимметрии БЛС были выбраны четыре показателя, наиболее полно отражающие эрозионный потенциал рельефа: рельефная функ ция (LS), коэффициент экспозиции (Э), вертикальное расчленение (АН, м) и го ризонтальное расчленение (К, км/км2). Расчет показателей производили в ГИС-приложении ArcGIS 10.2 путем автоматизированного пространственного анализа гидрологически корректной цифровой модели рельефа ЦМР Белгородской области, построенной по векторной высотной основе топографических карт масштаба 1:25 000 методом плоского сплайна, учитывающим дренажную структуру территории (инструмент TopoToRaster). Для региональных условий рельефа установлено [28], что оптимальный размер ячейки при данном масштабе, обеспечивающий требуемую точность без избыточности данных, равен 30 м.
Каждый бассейн по линии русла основной реки был разделен на два противоположных макросклона (суббассейна), в границах которых методом пространственной статистики в ArcGIS рассчитаны средние значения показателей LS, К, Э и АН.
Для расчета рельефной функции LS, отражающей совокупное влияние уклона и длины склона, использовали уравнение [29], которое среди других показало свою адекватность при его верификации для региональных условий в отношении проявления процессов эрозии и почвообразования [30]:
(1)
где L - длина склона, м; S - уклон, %.
Коэффициент экспозиции (Э) отражает эрозионный потенциал рельефа при эрозии талого стока, которая зависит от интенсивности снеготаяния. Склоны южной экспозиции считаются более эрозионно опасными, поскольку на них приходится больше поступающего тепла (солнечной радиации). Количественное выражение коэффициента Э в зависимости от геоморфологических условий можно представить формулой из эрозионной модели Г.И. Швебса [31]: