Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина
Поемность локальных морфологических комплексов поймы реки Оки: опыт определения по результатам геоинформационного анализа конфигурации зоны затопления
Алексей Юрьевич Воробьев
Аннотация
По результатам геоинформационного моделирования контуров весеннего затопления поймы реки Оки в ее Рязанском расширении в 2018 году на участке 742-662 км от устья была определена общая площадь покрытой водой территории в пределах днища окской долины.
Был также произведен расчет меры затопляемости каждого из локальных морфологических комплексов форм рельефа, выделенных нами для Рязанского расширения ранее.
С помощью моделирования, основанного на анализе спутниковых снимков и собственных полевых данных, выявлено наиболее полное заметание гребнем половодной волны сегментногривистой поймы современного пояса меандрирования по сравнению с локальными морфологическими комплексами прочих типов.
Ключевые слова: река Ока, пойма, морфологический комплекс, QGIS, зона затопления, аэрофотосъемка, анализ спутниковых снимков.
Abstract
Flood Inundation of the Morphological Complexes of the Oka River: Geographic Information Analysis of the Inundated Areas
Aleksey Yu. Vorobyev
Ryazan State University named for S. Yesenin
The geographic information analysis of the flood inundation area of the Oka floodplain in the Ryazan region (742-662 km away from the estuary), which was performed in 2018, enabled the author of the article to assess the extent of inundated area within the Oka valley. The author investigated the areal extent of inundation of all the morphological complexes of the Oka. GIS-based modelling showed that the segmental-ridge floodplain meander belt was inundated to a greater extent than other local morphological complexes.
Keywords: the Oka river, floodplain, morphological complex, QGIS, inundation area, air photography, satellite imagery analysis.
Введение
Учащение маловодных лет на реках Восточно-Европейской равнины в 2010-е годы предполагало уменьшение поемности днищ речных долин и замедление динамики рельефообразования в их пределах.
К числу важнейших общих геоморфологических проблем на этом фоне относится мера отклика пойменного рельефа на следствия климатической изменчивости.
Неустойчивость регулярных весенних значений гидрометеорологических элементов в пределах бассейна Оки в последние годы [Георгиади, Коронкевич, Кашутина, Барабанова, 2016, с. 57] предполагает повышенную вариабельность границ среднемаксимальной и средней зоны затопления в пределах пойм отдельных рек для оценки хозяйственных и экологических рисков, а также в целях предупреждения опасных гидрологических и геоморфологических процессов.
В предыдущих наших исследованиях было установлено, что рельеф поймы Оки в ее среднем течении представляет сочетание локальных морфологических комплексов (ЛМК) рельефа [Кривцов, Воробьев, 2014, с. 150]. геоинформационный ока пойма затопление
Они существенным образом отличаются по морфологии и строению толщи рыхлых отложений.
Для Рязанского расширения поймы Оки были выделены более 100 ЛМК, относящихся к нескольким основным типам.
В задачи настоящего исследования входило определение площади затопления в контурах отдельных морфологических комплексов пойменного рельефа и средней степени затопляемости каждого их типа.
Для решения поставленной проблематики в Рязанском расширении окской поймы во время половодья 2018 года были проведены полевые съемочные работы и осуществлена камеральная обработка полученных данных наряду с дешифрированием спутниковых снимков.
По результатам осуществленных работ была установлена конфигурация основных пойменных проток, активизирующихся в многоводную фазу водного режима Оки, и главных аккумулирующих емкостей в пределах днища ее долины.
Методы исследования
В методических рекомендациях [Савичев, 2013, с. 48] по определению контуров подтопленных и затопленных участков во время весеннего половодья предполагается применение для решения данной задачи геоинформационных средств и математических моделей.
Однако имеют место случаи, когда контуры затопления при максимальных или очень близких к ним значениях уровней конкретного половодья достоверно известны. Зачастую при этом исследователь использует собственные средства (обычно -- БПЛА) мониторинга зоны, заметаемой гребнем паводковой волны [Lewin, Ashworth, Strick, 2017, с. 5]. Не менее часто в подобную аналитическую работу вводятся и материалы спутниковой съемки [Miall, 2014, с. 292].
Фактический материал в рамках настоящего исследования был получен нами при использовании обоих упомянутых выше методов. Дистанционные данные представляли контуры зоны затопления поймы Оки в 2018 году для Рязанского расширения ее поймы, запечатленные на снимках со спутников WorldView 1 и WorldViev 4, ZiYuan 3 и др.
Отклонение от дат максимальных уровней и расходов половодья, определенных по результатам анализа данных наблюдений на гидрологическом створе Рязань, не превышало 2-4 дня. Максимальные уровни реки на створе при этом стабильно находились на наиболее высокой отметке, отличия по hmax «крайних» дней от дней с пиковыми значениями данного параметра не превышали 1-2 см.
Полевой материал получен по результатам облета окской поймы на нескольких тепловых аэростатах командами воздухоплавателей и исследователей-геоморфологов в дни максимального уровня половодья Оки в 2018 году. Была осуществлена аэрофотосъемка контуров зоны затопления, определялись также GPS-координаты границ покрытой водой территории (вплоть до отдельных мезоформ рельефа). Высота геодезической съемки не превышала 10-20 м, максимальная погрешность наблюдений составляла около 3-5 м. В итоге было получено множество реперных точек, которые при перенесении их в геоинформационную среду QGIS v. 2.18 Las Palmas позволили уточнить контуры затопленной зоны. Особенно значимую роль прямая съемка местности имела для некоторых участков, запечатленных на спутниковых снимках с высоким процентом облачности.
Некоторая часть точек по границам покрытой водой поймы была получена с помощью полевой маршрутной GPS-съемки, в том числе и при высадке на поверхность форм рельефа, находящихся выше уровня затопления. При создании геоинформационной модели вводилась поправка на высоту для данных с полетного средства, сама высота во время облетов, помимо встроенного альтиметра в GPS-навигаторах, измерялась лазерным дальномером. На заключительном этапе камеральной обработки эмпирических данных производилось наложение ОР8-точек на спутниковые снимки и формирование результирующих полигонов и изолиний в зоне затопления.
Полученные результаты
Известно, что для геоморфологического анализа типично широкое применение районирования -- управляемой классификации пространственно организованных элементов [Лихачева, Тимофеев, 2008, с. 17]. Каждый ЛМК в Рязанском расширении поймы средней Оки выделен нами по морфологическому облику и фациальному строению верхней части толщи рыхлых отложений (рис. 1).
Рутинность ее фациального облика для рельефа равнинных рек подчеркивается в соответствующих публикациях [Шанцер, 1951, с. 139 ; Мт11, 2014, с. 283]. Выделены две основные группы ЛМК, в первую из которых входят сегментно - и параллельногривистые комплексы, сформированные русловыми процессами в голоцене с проявлением осадконакопления в руслах, старицах и на зрелых поймах. Ко второй группе морфологических комплексов наложенной поймы относятся участки днища долины Оки, в пределах которых пойменная фация аллювия залегает либо на песчаных осадках размытой первой надпойменной террасы (наложенные ЛМК 1 -го типа), либо на отложениях иного генезиса (наложенные ЛМК 2-го типа).
Рис. 1. Распространение типов локальных морфологических комплексов в Рязанском расширении поймы Оки
Из общей площади Рязанского пойменного расширения, которая составляет 361 км2, наибольшую часть занимают сегментно-гривистые морфологические комплексы древнего пояса меандрирования. Их совокупная площадь составляет 119 км2, что почти втрое больше площади сегментно-гривистых ЛМК современного пояса меандрирования (37 км2) и вдвое больше площади участков выровненной гривистой поймы (61 км2) (рис. 1). Все «русловые» ЛМК с выраженным гривистым рельефом и характерным для аллювия фациальным строением рыхлых отложе ний занимают 62,2 % Рязанского расширения. Четверть его приходится на участки наложенной поймы, сформированной еще в плейстоценовую эпоху [Кривцов, Воробьев, 2014, с. 152]. На дневной поверхности плейстоценовыми осадками также выполняются останцы надпойменных террас -- суммарно 3 % площади Рязанского расширения. Водоемы, в том числе и современное русло Оки, занимают оставшиеся 10 % его площади.
На составленной нами карте на отрезке от села Новоселки Рыбновского района Рязанской области до села Казарь Рязанского района, затопленном во время половодья 2018 года территории поймы Оки, четко выделяется приподнятый рельеф с превышением высот на 6 м и более над урезом реки. В основном к нему относятся самые высокие гривы, прирусловые валы и останцы надпойменных террас, однако присутствуют и значительные по площади выровненные участки, свободные от воды (рис. 2).
Рис. 2. Затопление поймы Оки в ее Рязанском расширении на пике половодья 2018 года
Без учета водных объектов в 2018 году заметанию гребнем половодной волны подверглось 198 км2 территории поймы, что составляет 60,9 % площади местных угодий.
В пределах всей пойменной поверхности, проводимой по контурам изогипсы 100 м, было затоплено 65 % территории, что в абсолютных цифрах составляет 234 км2.
Во время половодья средний процент затопления был наибольшим для сегментно-гривистых ЛМК современного пояса меандрирования (79,7 %) и наложенных ЛМК 2-го типа (80,7 %), а наименьший -- для наложенных ЛМК 1-го типа (35 %).
Дискуссия
На диаграмме рассеяния соотношения площади каждого конкретного ЛМК (8общ.) и площади затопления в его границах (8зат.) можно видеть, что значки, соответствующие сегментно -гривистой пойме современного пояса меандрирования расположены выше линии 30 % обеспеченности затоплением (рис. 3).
Это объясняется близостью к руслу и ускоренным поступлением водных масс на пойменную поверхность и гораздо в большей степени -- относительной молодостью местного рельефа.
Пойма в привершинных частях излучин ЛМК сегментно -гривистой поймы современного пояса меандрирования, в их центральных позициях и на их нижних крыльях еще не является в достаточной мере приподнятой над урезом, чтобы избежать затопления при весеннем подъеме воды на 6 м.
Среди множества сегментно-гривистых ЛМК древнего пояса меандрирования четко выделяется подмножество небольших по площади (до 0,8 км2) и слабо затопленных комплексов (обеспеченность затоплением не более 40 %).
Отметим, что подобная степень покрытия половодьем характерна для 25 % ЛМК данного типа. Сгущение значков на таком же уровне затопления, но для больших по площади ЛМК наблюдается и для выровненной гривистой поймы.
В основном подобные участки расположены на северной части Рязанского расширения, в пределах которой еще сказывается влияние Кузьминского гидроузла, а абсолютные отметки поймы зачастую превышают 100 м.
Ниже по течению от дамбы Солотчинского шоссе, а также при вхождении потока в Половское пойменное сужение, пойма Оки затапливается почти полностью.
Рис. 3. Диаграмма рассеяния для отношения площади локальных морфологических комплексов и степени их затопления
В значительно меньшей степени покрытыми паводковой волной 2018 года оказались участки наложенной поймы Оки 1-го типа. Их обеспеченность затоплением, как правило, не превышает 50-60 %, чаще составляет 10-45 %.
Два морфологических комплекса наложенной поймы на размытой террасовой поверхности, расположенные в притеррасной пойме, совершенно избежали затопления.
Очевидно, что вовлечение ЛМК данного типа в полноценный пойменный режим осуществляется лишь во время более мощных паводков.
Отдельного внимания заслуживает гидрологическая ситуация в пределах ЛМК I и II, отмеченных на карте (рис. 1): и ЛМК наложенной поймы 2-го типа (II), расположенный на правобережной пойме к северо-востоку от областного центра, и наибольший по площади (37 км2) участок наложенной поймы 1-го типа между селами Шумашь, Варские и Поляны (I) отличаются почти одинаково высокой степенью затопления (72-73 %).
Отчасти это связано с притеррасным положением краевых участков данных ЛМК, эволюция рельефа которых проходит в условиях ослабленного поступления взвешенных наносов с половодным потоком.
Необходимо также учитывать плейстоценовый возраст пород, подстилающих на обоих участках толщу пойменного аллювия.
Известно, что заложение пойм рек в центре Русской равнины около 13-16 тыс. лет назад сопровождалось сильным врезанием их русел [Панин, Сидорчук, Чернов, 2011, с. 26], нормальная мощность позднеплейстоценового аллювия могла достигать 15-20 м и более.