Статья: Структурно-гидрографический подход к определению экстремально высокого стока

Институт географии им. В. Б. Сочавы СО РАН

русловая сеть сток

Структурно-гидрографический подход к определению экстремально высокого стока

И. Ю. Амосова

Е. А. Ильичева

Аннотация

Рассмотрена речная сеть как статическая и динамическая модели. Уделено внимание природным условиям, морфометрическим характеристикам бассейна и русловой сети, влияющим на формирование максимального стока. Расчеты максимально возможного стока проведены с использованием динамической модели русловой сети, построенной по цифровой модели рельефа. Для выявления фундаментальных закономерностей строения речных систем, на основе обработки материалов БЯТМ, для всей водно-эрозионной сети детально рассчитаны структурно-гидрографические характеристики. Исследование направлено на определение удельных характеристик и состава русловой сети и выявление новых индикационных возможностей для оценки стока и возможности возникновения опасных гидрологических явлений. Сравнительный анализ полученных параметров по топографическим картам и автоматизированной обработке показал важность используемого масштаба (топокарт или космоснимков) в исследованиях структуры водно-эрозионной или речной сети для различных задач структурной гидрографии. Применение современных геоинформационных методов позволяет определить полный эрозионный врез и современный объем горных пород, являющихся индикаторами гидрологического режима. Индикационные свойства, заложенные в структуре речной системы, перспективно использовать как для разработки сценариев стока (максимально возможного), так и для ретроспективной оценки стадии развития речной системы.

Ключевые слова: структурная гидрография, энтропийные характеристики, экстремально возможный (максимальный) сток, гидроморфологический коэффициент.

русловая сеть сток

Structural and Hydrographic Approach to the Definition Extreme High Flow

I. Y. Amosova

V. B. Sochava Institute of Geography SB RAS, Irkutsk

E. A. Ilicheva

V. B. Sochava Institute of Geography SB RAS, Irkutsk Irkutsk State University, Irkutsk

Abstract. The river network is considered as a static and dynamic model. Attention is paid to natural conditions, morphometric characteristics of the basin and channel network, which influence the formation of maximum runoff. Calculations of the maximum possible runoff were carried out using a dynamic model of the channel network, constructed using the digital relief model (DEM). To determine the fundamental patterns of the structure of river systems, based on the treatment of SRTM materials, structural and hydrographic characteristics were calculated in detail for the entire water- erosion network. The study is aimed at determining the specific characteristics and composition of the channel network and identifying new indicator capabilities for assessing runoff and the occurrence of dangerous hydrological phenomena. A comparative analysis of the obtained parameters on topographic maps and automated processing showed the importance of the scale used (topographic maps or space images) to study the structure of the water-erosion or river network for various structural hydrographic tasks. The use of modern geoinformation methods makes it possible to determine the total erosion cut and the current volume of rocks that are indicators of the hydrological regime. The indicative properties inherent in the structure of the channel network are promising to be used both for the development of flow scenarios (as much as possible), and for a retrospective assessment of the stage of development of the river system.

Keywords: structural hydrography, entropy characteristics, extreme possible (maximum) runoff, hydromorphological coefficient.

Введение

В условиях недостаточно плотной современной сети гидрологических наблюдений для оценки водных ресурсов в качестве индикатора экстремально высокой водоносности привлекается структурно-гидрографический анализ речных систем. Такой анализ выполнен для бассейна р. Баргузин.

Экстремальные явления природы - это явления, которые обнаруживаются как мощные разрушительные силы и, как правило, неподвластные влиянию человека. Все стихийные явления, возникающие в природе, подчиняются определенным закономерностям:

для каждого вида может быть установлена специфическая пространственная приуроченность. Для рассматриваемой территории абсолютные значения максимального стока различного происхождения отличаются несущественно, т. е. роли половодья и паводков в формировании экстремально высокой водоносности приблизительно равны [Кичигина, 2001];

чем больше интенсивность явления, тем реже оно повторяется с той же силой. Строение речной сети можно рассматривать как индикатор максимально возможного стока для речной системы;

с определенной надежностью стихийное явление может быть предсказано. Не исключена вероятность прохождения исторического максимально возможного стока для какой-либо территории в современное время.

В последнее время наблюдается увеличение числа и мощности наводнений как в традиционных регионах, так и в тех местах, где ранее они не отмечались или протекали без последствий [Алексеев, 1988]. Объяснение этому может заключаться во влиянии антропогенного фактора - в возрастании потребностей в природных ресурсах вследствие роста населения, прогрессивного и скачкообразного развития науки и техники, в результате чего вовлекаются неосвоенные и слабоосвоенные территории. Нередко воздействие человека на природную среду осуществляется с нарушениями законов природы, что вызывает активизацию и усиление проявлений стихийных явлений.

Катастрофические наводнения вызывают затопления огромных территорий в пределах одной или нескольких речных систем. Такие наводнения случаются не чаще одного раза в 100-200 лет или еще реже. Подобная повторяемость наводнений имела место при слабовыраженном антропогенном влиянии. При активной хозяйственной деятельности вероятность повторений экстремальных гидрологических событий во времени увеличивается.

Объект исследования

Рассматриваемая территория расположена в пределах Баргузинского гидрологического района. Район характеризуется благоприятными условиями стокоформирования [Афанасьев, 1976]. Река Баргузин берет начало в пределах северо-западных отрогов Южно-Муйского хребта [Ресурсы поверхностных вод, 1973]. В верхнем течении протекает по горной, сильно пересеченной местности, в среднем выходит в Баргузинскую впадину, в нижнем течении занимает узкую долину, пересекает южные отроги Баргу- зинского хребта. Низовье расположено на небольшой прибрежной заболоченной низменности вдоль Баргузинского залива. С северо-запада Баргузин- скую котловину окаймляет Баргузинский хребет, с юга хребет Ямбунский, с востока - Икатский хребет. Склоны последнего в предгорьях крутые, значительно расчленены долинами рек.

Баргузинский и Икатский хребты сложены архейскими и протерозойскими кристаллическими породами, представленными гранитами, гнейсами и сланцами, а также перекристаллизованными осадочными породами, известняками, доломитами, кварцитами [Афанасьев, 1976], а сама котловина выполнена четвертичными отложениями.

Левые притоки, дренирующие наветренные склоны, характеризуются благоприятными условиями для формирования максимального стока. В правобережных притоках, напротив, наблюдается потеря стока в каньонах [Афанасьев, 1976]. Коэффициент эрозионного расчленения в бассейне составляет 0,65 км/км2, что обусловлено повышенным увлажнением территории, небольшой величиной испарения и значительными уклонами водосборов. Средний уклон водосбора равен 17,6°, водной поверхности - 5,3°. Объем талых и дождевых вод примерно одинаков (по 30-40 %). Периоды летне-осенней и зимней межени характеризуются сравнительно повышенной водностью (по 10-20 % годового стока) и связаны со значительным накоплением запасов подземных вод, менее глубоким промерзанием поч- вогрунтов, наличием трещиноватых пород, выходов термальных и минеральных источников. За счет озерно-болотной аккумуляции в бассейне происходит снижение максимального стока на 20 %. В котловине, занятой множеством протоков и староречий, пойменными озерами и обширными заболоченными участками, максимальный сток по сравнению с прилегающей территорией трансформируется больше.

Материалы и методы исследования

Речная сеть исследуемой территории рассматривается как статическая и динамическая модели. Статической моделью является совокупность постоянных водотоков, изображенная на топографических картах и соответствующая устойчивому среднемноголетнему стоку. Модель создана на основе графа речной сети и построена по топографическим картам масштаба 1:200 000. По программе «Энтропия» (автор Б. И. Гарцман) определены состав речной сети (порядок по Хортону - Стралеру, Шриву и Шайдеггеру) и структурные характеристики (локальная, суммарная и средняя энтропия).

Структурные характеристики и энтропия учитывают количество элементов (звеньев речной системы), их распределение и взаимосвязь в структуре русловой сети. Именно взаимосвязь таких элементов позволяет использовать энтропийные характеристики как информационные индикаторы характера гидрологических процессов и классификационные элементы [Гидроклиматические исследования Байкальской ... , 2013; Корытный, 1980; Речные системы Дальнего ... , 2015].

Для реальных речных систем практически невозможно (в силу огромных трудозатрат) определить большинство параметров-индикаторов. Использование современных снимков дистанционного зондирования Земли позволяет создать динамическую модель, при которой начинает работать временная сеть, вследствие чего увеличивается количество элементарных водотоков.

Миссия SRTM (Shuttle Radar Topography Mission, февраль 2000) покрывает территорию от 56° ю. ш. до 60° с. ш. Данные съемки: 16-битный растр, представленный квадратами 1^1°, в каждом пикселе которого содержится высота над уровнем моря с разрешением, близким к топографической карте масштаба 1:200 000. Покрытие бассейна р. Баргузин перепроектировано в эквидистантную проекцию (Albers_Equal_Area_Conic).

Смоделированная водно-эрозионная сеть отвечает реальной, за исключением мест слабого расчленения рельефа, заболоченной поверхности или заозеренной котловины. На такие территории проводится корректировка линий тальвегов по устойчивому стоку.

Важный аспект применения цифровой модели рельефа (ЦМР) - возможность введения таких характеристик бассейна в рамках геоморфологического анализа, как объем и толщина речного бассейна [Речные системы Дальнего ... , 2015]. Эти характеристики также являются эффективными индикаторами гидрологического режима. Определение их основывается на использовании современных геоинформационных методов. Первоначальным этапом анализа геометрии бассейна является его разбиение на частные водосборы (площади по порядкам).

Объем единичного речного бассейна «по экстремумам» (Wext) представляет собой произведение амплитуды высот и площади для каждого водосбора определенного порядка; для всей речной системы бассейна производится суммирование объемов.

Объем единичного речного бассейна «по средним» (Wave) равен произведению разности средних высот частного водосбора и средних высот его тальвега для различных порядков системы; по всему бассейну значения объемов суммируются.

Основная методика исследования максимально возможного (экстремального) стока состоит в сопоставлении результатов автоматизированной обработки водно-эрозионной сети с русловой сетью и полученных по снимкам SRTM и топографическим картам.

Алгоритм определения максимального стока:

по условиям формирования стока определить принадлежность речной системы к одной из групп речных бассейнов (по локальной зависимости средней водоносности от структурной меры);

используя граф речной системы, построенный для всей водноэрозионной сети (по данным снимков SRTM), рассчитать структурные меры;

рассчитать максимально возможный сток речной системы как произведение структурного модуля и значения структурной меры;

методом пространственной интерполяции определить сток.

Результаты

Каждая речная система обладает свойственным только ей рисунком и строением сети. Сеть потоков, построенная по ЦМР, соответствует водноэрозионной сети (здесь преобладают водотоки низких порядков), выявляет индивидуальные условия формирования максимально возможного стока и присутствие азональных факторов территории.

Для статической модели состава речной сети бассейна р. Баргузин для устойчивого среднемноголетнего стока исследование проведено по топографическим картам масштаба 1:200 000. Речная система имеет VII порядок и относится к классу больших, насчитывает 1749 водотоков 1-го порядка.

Рис. Динамическая модель речной системы р. Баргузин

Динамическая модель речной системы бассейна р. Баргузина рассматривается как идеальная, без учета озер и болот как водоемов (рис.). Граф построен по совокупности тальвегов на поверхности бассейна, так как практически все озера рассматриваемой территории проточные и используются для расчета как водно-эрозионная сеть. Такая модель русловой сети сформируется при прохождении паводка за счет функционирования всех ложбин стока, обусловленных формой поверхности рельефа каждого конкретного бассейна. Описанное переформирование гидросети возможно при активной антропогенной нагрузке в среднем и нижнем течении указанной территории, а также при экстремальных метеоусловиях.

Для динамической модели речной системы р. Баргузин рассчитаны морфометрические характеристики бассейна в целом (табл. 1) и структурногидрографические параметры по порядкам русловой сети (табл. 2).

Таблица 1

Гидроморфометрические характеристики бассейна и русловой сети для динамической модели р. Баргузин