(2)
где S - крутизна склона, град.;
h - высота солнца над горизонтом, град.,
Ш - экспозиция склона, град.
Результирующий коэффициент экспозиции рассчитан по ЦМР как средне взвешенное для территории бассейна; его величиной определяется доминирующий тип склонов, характеризуемый определенной теплообеспеченностью, а следовательно, и эрозионным потенциалом.
Вертикальное расчленение рассчитывали по средневзвешенному значению разности высот ЦМР в ячейках сетки 2х2 км. Оценку горизонтального расчленения получили путем автоматизированного построения по ЦМР долинной и овражно-балочной сети и оценки ее суммарной длины на площади 26.6 тыс. км2.
В качестве меры асимметрии использовали коэффициент С, рассчитанный как
(3)
где С - коэффициент асимметрии бассейна по показателям П: рельефной функции (CLS), горизонтальному расчленению (С), вертикальному расчленению (Сдя) и коэффициенту экспозиции (СЭ);
Ппр, Плв - значения показателя для правого и левого суббассейнов;
X п - среднее значение параметров суббассейнов.
Для объективного выделения в пределах БЛС геоморфологически однородных районов в программном продукте STATISTICA 10.0 использовали метод многомерного кластерного анализа (алгоритм древовидной кластеризации методом Уорда в квадрате Евклидова расстояния).
Результаты и их обсуждение
Днепровско-Донской водораздел на территории Белгородской области имеет длину 199 км и ориентирован с северо-востока на юго-запад [21]. Анализ гидрографической сети позволяет выделить в северо-западной части области другой водораздел широтного направления, от которого на север и юг расходятся реки меридионального и субмеридионального направлений: Северский Донец с притоками, притоки Сейма и Псёла, а также реки восточнее водораздела -
Оскол и Айдар. Выполненный нами региональный анализ показал, что порядок бассейна и ориентация речной долины могут в значительной степени определять геоморфологическую контрастность ее макросклонов (рис. 1).
Рис. 1. Изменение коэффициента асимметрии (С) по рельефной функции (LS), горизонтальному расчленению (K), коэффициенту экспозиции (Э) и вертикальному расчленению (ДЯ) в зависимости от ориентации бассейнов - румба (r)
Fig. 1. Changes in the asymmetry coefficient (C) in relation to the relief function (LS), horizontal dis section (K), exposure coefficient (E), and vertical dissection (ДН) depending on the orientation of the basins - rhumb (r).
Для склонов долин субмеридиональных бассейнов (г < 45°) зависимость между азимутом бассейна и степенью асимметрии его склонов по коэффициентам CLS и Сдя наблюдается с увеличением порядка бассейна: она проявляется в бассейнах V-VII порядков и не выявлена для более низкого IV порядка. Для бассейнов рек V-VII порядков асимметрия макросклонов по интегральной рельефной функции и перепаду высот увеличивается с приближением оси бассейна к меридиональному направлению. Суббассейны восточной экспозиции характеризуются сложными геоморфологическими условиями: более глубоким базисом эрозии и высоким показателем рельефной функции, которая указывает на повышенный эрозионный потенциал рельефа. Для суббассейнов, обращенных на запад, характерен более спокойный рельеф с менее крутыми склонами и меньшей глубиной овражно-балочной сети. Следует отметить, что данной закономерности подчиняются и два бассейна VI порядка субширотной ориентации - рек Ворсклы и Нежеголи (г = 61° и 68° соответственно). Для них также наблюдаются высокие значения CLS и Сдя, что может быть объяснено не только воздействием силы Кориолиса, но и тектоническими особенностями территории.
Коэффициент асимметрии СК для всех бассейнов характеризуется в среднем минимальными значениями по сравнению с другими показателями асимметрии. Связь данного коэффициента с ориентацией бассейнов не установлена как для IV, так и для V-VII порядков. Это свидетельствует о том, что густота эрозионной сети (К) относительно равномерно распределена по макросклонам для бассейнов любого порядка и ориентации. Поэтому параметр К при после дующей типизации бассейнов был исключен.
Изменение коэффициента асимметрии склонов СЭ в зависимости от ориентации для бассейнов V-VII порядков показало более достоверную зависимость, чем для бассейнов IV порядка (коэффициенты корреляции равны 0.83 и 0.50 соответственно). Чем ближе бассейн к широтной ориентации, тем ярче проявляется экспозиционная контрастность его макросклонов. Для бассейнов любых порядков, ориентированных с востока на запад, наибольшие значения коэффициента экспозиции характерны для южных макросклонов. Это определяет повышенный эрозионный потенциал рельефа, который в условиях лесостепи и степи реализуется за период весеннего снеготаяния при условии образования слоя стока.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что при геоморфологическом анализе БЛС в разрезе макросклонов проявляется неоднородность их рельефных характеристик. Поэтому для геоморфологических интерпретаций целесообразно перейти от бассейновой дифференциации ландшафта к парадинамическим районам - совокупности ландшафтных ярусов, имеющих одну мак роэкспозицию и приуроченных к определенному макросклону бассейна малой реки [32].
Результат объективного выделения геоморфологически однородных парадинамических районов по статистически значимым показателям LS, Э и АН представлен в виде дендрограммы (рис. 2), на которой суббассейны, сгруппированные в однородные кластеры, могут быть интерпретированы с помощью их разделения на типы и подтипы.
Рис. 2. Дендрограмма геоморфологической типизации суббассейнов: D - расстояние объединения; D1, D2 - границы порога выделения типов и подтипов суббассейнов
Fig. 2. The dendrogram of geomorphological typification of the sub-basins: D - the distance of joining; D1, D2 - the borders of the threshold of defining the types and subtypes of the sub-basins.
геоморфологическиий эрозионный речной бассейн белгородский
Чем больше расстояние объединения (D), тем сильнее различаются группы объектов в соответствующих кластерах. Четко выявилось обособление суббассейнов в два крупных кластера - парадинамических района (при D1 = 168), которые существенно различаются по показателям LS и АН (табл. 1). Экспозиционные различия парадинамических районов проявляются на более низком уровне их объединения (при D2 = 67).
Таблица 1
Различия геоморфологических характеристик парадинамических районов в типологическом отношении
|
Тип и подтип |
LS |
ДЯ, м |
Э |
|
|
D = 168 |
||||
|
I |
1.4 ± 0.4 |
49 ± 9 |
1.00 ± 0.01 |
|
|
II |
2.3 ± 0.3 |
71 ± 6 |
1.00 ± 0.02 |
|
|
D = 67 |
||||
|
Ia |
0.9 ± 0.2 |
39 ± 6 |
0.99 ± 0.01 |
|
|
Ib |
1.5 ± 0.3 |
53 ± 6 |
1.00 ± 0.01 |
|
|
IIa |
2.2 ± 0.3 |
68 ± 7 |
0.97 ± 0.01 |
|
|
IIb |
2.4 ± 0.4 |
73 ± 5 |
1.01 ± 0.01 |
Парадинамический район I типа занимает 13.7 тыс. км2 (51% территории Белгородской области) и характеризуются относительно спокойными геоморфологическими условиями: низкие значения рельефной функции и глубины базиса эрозии в его суббассейнах определяют невысокий эрозионный потенциал рельефа. К данному типу относится практически вся территория Днепровского бассейна, а также часть бассейна Дона (западные макросклоны субмеридиональных бассейнов и группа суббассейнов на северо-востоке области). Рельеф последних сформировался под действием четвертичного оледенения: здесь образовалась зандровая равнина, сложенная флювиогляциальными песками.
Для парадинамического района II типа площадью 12.9 тыс. км2 (47% территории области) характерны более сложные геоморфологические условия по сравнению с типом I: высокие значения вертикального расчленения и рельефной функции создают предпосылки для интенсивного протекания водно-эрозионных процессов. Данный тип формируют восточные макросклоны субмеридиональных бассейнов, а также суббассейны с ярко выраженной субширотной ориентацией. Повышенный эрозионный потенциал рельефа при стоке талых вод характерен для подтипа IIb, представленного преимущественно южными макросклонами бассейнов субширотной ориентации.
Парадинамические районы I типа локализованы в западной части области, II типа - на востоке области. С продвижением с запада на восток доля суббассейнов I типа на территории области уменьшается, а II типа - увеличивается, образуя в центральной части области (бассейн р. Северский Донец) переходную зону чередующихся «полос» субмеридионального простирания (рис. 3).
Рис. 3. Парадинамические районы Белгородской области
Fig. 3. The paradynamical areas of the Belgorod region
Наибольшая геоморфологическая контрастность БЛС наблюдается в случаях, когда макросклоны одного бассейна принадлежат к разным парадинамическим районам. К контрастным относятся бассейны рек Ворскла, Северский Донец с притоками, Айдар, Оскол с притоками Ураева и Валуй. Такие бассейны по линии русла можно разделить на крутой правый и пологий левый макросклоны. Всего в области 18 примеров контрастных бассейнов, причем 12 из них имеют субмеридиональную ориентацию.
Заключение
При использовании бассейнового подхода к оценке геоморфологических условий в гидрологически целостной бассейново-ландшафтной системе целесообразно провести структурный анализ ее элементов - парадинамических районов, приуроченных к макросклонам бассейна. Это позволяет выделить геоморфологически однородные выделы не только в пределах конкретного бассейна, но и на смежных бассейнах и межбассейновых территориях.
Пространственная ориентация бассейна определяет особенности асимметрии его макросклонов. Для субмеридиональных бассейнов их геоморфологическая контрастность может быть выявлена по величинам рельефной функции и вертикального расчленения. Причем проявление асимметрии таких бассейнов связано с порядковой структурой их водотоков: наиболее выражена асимметрия для бассейнов рек V-VII порядков с характерными крутыми, более эрозионно опасными восточными и пологими западными макросклонами. Эффект асимметричности пропорционально зависит от массы движущейся воды (это коррелирует с порядком бассейна), но в то же время устанавливает масштабное ограничение для реализации этой закономерности. Для бассейнов субширотной ориентации ярче проявляется их асимметрия по экспозиционному фактору: южные макросклоны отличает более высокая теплообеспеченность, что создает предпосылки для активного проявления водно-эрозионного процесса при снеготаянии.
Применение современных технологий пространственного ГИС-анализа и статистического моделирования позволяет объективно выделить геоморфологически однородные парадинамические районы, границы которых совпадают с основными каркасными линиями морфоскульптуры рельефа - водоразделами и долинной сетью, как это показано на примере территории Белгородской области.
Литература
1. Симонов Ю.Г., Симонова Т.Ю. Речной бассейн и бассейновая организация географической оболочки // Эрозия почв и русловые процессы. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 2003. - Вып. 14. - С. 7-32.
2. Мильков Ф.Н. Современная физическая география: состояние, закономерности, проблемы. - Воронеж: Изд-во Воронеж. ун-та, 1981. - 398 с.
3. Бевз В.Н. Факторы развития и общие признаки бассейновых динамико-генетических систем склоновых ландшафтов // Вестн. Воронеж. гос. ун-та. Сер. География. Геоэкология. - 2005. - №1. - С. 34-32.
4. Tucker G.E., Hancock G.R. Modelling landscape evolution // Earth Surf. Processes Land- forms. - 2010. - V. 35, No 1. - P. 28-50.
5. Маккавеев А.Н., Лихачева Э.А., Некрасова Л.А. Эволюция водосборных бассейнов малых рек столичного региона // Геоморфологические системы: свойства, иерархия, организованность. М.: Медиа-ПРЕСС, 2010. - С. 187-197.
6. Маккавеев Н.И. Русло реки и эрозия в ее бассейне. - М.: Изд-во АН СССР, 1955. - 346 с.
7. Философов В.П. Краткое руководство по морфометрическому методу поисков тектонических структур. - Саратов: Изд-во Саратов. ГУ, 1960. - 93 с.
8. Szilagyi J., Parlange M.B. A geomorphology-based semi-distributed watershed model // Adv. Water Resour. - 1999. - V. 23, No 2. - P. 177-187.
9. Weissmann G.S., Hartley A.J., Scuderi L.A., Nichols G.J., Owen A., Wright S., Felicia A.L., Holland F., Anaya F.M.L. Fluvial geomorphic elements in modern sedimentary basins and their potential preservation in the rock record: A review // Geomorphology. - 2015. - V. 250. - P. 187-219.
10. Ермолаев О.П., Мальцев К.А., Мухарамова С.С., Харченко С.В., Веденеева Е.А. Картографическая модель речных бассейнов Европейской России // География и природные ресурсы. - 2017. - №2. - С. 27-36.
11. Симонов Ю.Г., Симонова Т.Ю. Фундаментальные проблемы антропогенной геоморфологии // Геоморфология. - 2013. - №3. - С. 3-11.
12. Павлов А.Н., Голосовская В.А., Саноцкая Н.А. Симметрия и асимметрия речных бассейнов. Обсуждение задачи // Учен. зап. Рос. гос. гидрометеорол. ун-та. - 2011. - №18. - С. 21-34.
13. Wende R. Drainage and valley asymmetry in the Tertiary Hills of Lower Bavaria, Ger many // Geomorphology. - 1995. - V. 14, No 3. - P. 255-265.
14. Currey D.R. A preliminary study of valley asymmetry in the Ogotoruk Creek area, northwestern Alaska // Arctic. - 1964. - V. 17, No 2. - P. 84-98.
15. Алексеевский Н.И., Косицкий А.Г., Христофоров А.В. Фрактальные свойства речных систем и их использование в гидрологических расчетах // Вестн. Том. гос. ун-та. - 2013. - №371. - С. 167-170.
16. Русанов А.М., Коваль М.А. Влияние склоновой асимметрии на свойства почв и почвенный покров Оренбургского Предуралья // Вестн. ОГУ. - 2006. - №4. - С. 111-114.
17. Назаров Н.Н. Орографические осадки и эрозионные процессы // Материалы XIII пленарного межвузовского координационного совещания по проблеме эрозионных, русловых и устьевых процессов. - Псков, 1998. - С. 128-130.