ПРИМЕНЕНИЕ ГИС-ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ПРОЦЕССОВ ФОРМИРОВАНИЯ РЕЧНОГО СТОКА

Абакумова В.Ю.  

Формирование водных ресурсов, их пространственного и временного режима обусловлено взаимодействием комплекса взаимосвязанных факторов и условий (климатических, геологических, геоморфологических, геокриологических, ландшафтных, а также антропогенных). Среди факторов, влияющих на формирование стока в бассейне реки, геоморфологическое строение занимает одну из главных позиций. Между гидрологическими характеристиками и геоморфологической структурой речных бассейнов существует взаимосвязь. Многочисленные аспекты этой взаимосвязи изучаются с использованием различных методов, которые постоянно развиваются и совершенствуются. Геоморфологические характеристики речной сети и склонов, определяющих дренажную сеть бассейна – факторы, влияющие на поверхностный сток. Подземный сток также во многом определяется рельефом, дренажной сетью, гипсометрией бассейна.
В настоящее время широкое распространение получили различные методы анализа рельефа, в том числе с применением ГИС-технологий. Использование цифровой модели рельефа (ЦМР) позволяет автоматизировать многие процедуры и алгоритмы геоморфологического анализа, среди которых изучение процессов движения и аккумуляции водных потоков. ЦМР представляет поверхность в виде множества высотных отметок в узлах регулярной или нерегулярной сети, основными источниками ЦМР являются карты и аэрокосмические материалы, имеющие свои недостатки и достоинства [Геоинформатика, 2008].
Представление о поверхностном стоке можно получить из ЦМР, выявив распределение воды по территории бассейна. Существует несколько методов определения направления стока, которые можно объединить в две группы: методы одиночного направления стока (single flow direction) и методы множественного направления стока (multiple flow direction). В первом случае сток из одной ячейки направлен только на одну соседнюю ячейку, во втором – сток распределяется между несколькими соседними ячейками. Применение того или иного метода зависит от характера рельефа, размера ячейки ЦМР, цели исследования. Например, методы одиночного направления стока подходят для наиболее детальной ЦМР (с небольшим размером ячейки) и для анализа речной сети, методы множественного направления стока – для анализа процессов, проходящих на склонах. Каждый метод использует свой подход и алгоритм обработки, поэтому результаты обработки одной и той же исходной ЦМР различаются. После определения направления стока для каждой ячейки, можно определять водосборные площади (catchment area) также для каждой ячейки. Очевидно, что размеры водосборных площадей будут разными в зависимости от метода определения направления стока.
С целью выявления пространственного распределения условий, влияющих на сток с территории бассейна реки, изучалось геоморфологическое строение бассейна реки Чита в Забайкальском крае. В данной работе была осуществлена попытка определения водосборных площадей с использованием вышеозначенных методов и их сравнение. Исходная информация получена из топографических карт масштаба 1:100000 и данных Shuttle Radar Topographic Mission SRTM версии 4.1 с разрешением 3 угловые секунды [http://srtm.csi.cgiar.org]. Далее c помощью ГИС-программы TAS GIS были осуществлены следующие операции: пересчет координат в систему UTM с размером ячейки 50 м методом билинейной интерполяции, предобработка полученного изображения с целью получения гидрологически корректной ЦМР методом наименьшего воздействия (Impact Reduction Approach). Следующим шагом было определение значения направления стока (flow direction) и водосборных площадей (catchment area). Для сравнения было выбрано три метода: D8, D-Infiniti, ADRA.
D8 (Direction 8) – метод одиночного направления cтока, поток из ячейки поступает в одну самую нижележащую из восьми соседних ячеек, ячейке присваивается значение, соответствующее направлению, куда движется поток (например, северо-восток=1, восток=2, юго-восток=4, юг=8, и т.д.). Это упрощенный метод, он хорошо подходит для явных потоков в долинах, для русел рек, ручьев, где поток течет в одном направлении. На склонах, где поток растекается в нескольких направлениях, этот метод создает множество параллельных потоков (получается сильно перистый неестественный рисунок речной сети). Подходит для ЦМР с малым размером ячейки.
D-Infiniti (Direction Infiniti) – метод множественного направления стока, поток распределяется между несколькими нижележащими ячейками, направление стока определяется как азимут в градусах от 0 до 360 от севера. Он более подходит для определения процессов стекания воды на склонах, где обычно происходит рассредоточенное движение воды.
ADRA (Adjustable Dispersion Routing Algorithm) – алгоритм регулируемого распределения маршрута [Lindsay, 2003]. Он также относится к методам множественного направления стока. Принимая во внимание локальный уклон, увеличивается степень схождения потока воды от водоразделов к истокам водотока, при этом нужно выбрать тип переходной функции (линейная или сигмовидная) и нижнюю и верхнюю границы перехода от склонов к долинам. Эти настройки определяют параметры функции уклон-площадь: acr=C/(tan θ)², где acr – критическая площадь, т.е. водосборная площадь, при которой появляются истоки водотоков первого порядка, θ – уклон, С – константа, зависящая от климатических условий и от свойств поверхности бассейна [Montgomery, Foufoula-Georgiou, 1995]. Схождение потока будет увеличиваться, начиная с нижней границы, и поток станет полностью сходящимся, когда достигнет верхней границы. Эта верхняя граница обозначает место истоков водотока. Есть несколько методов для подсчета этой верхней границы для разных регионов [например, Montgomery and Foufoula-Georgiou, 1995]. В данной работе направление стока и водосборные площади определялись при разных пороговых значениях: 0,5 км2, 0,75 км² и 1,25 км².
Бассейн реки Чита расположен в центральной части Забайкальского края. Площадь бассейна составляет около 4200 км². Бассейн вытянут с севера на юг и юго-запад примерно на 130 км и ограничен на основном своем протяжении водораздельными хребтами – Яблоновым (на западе) и Черского (на востоке). Русло реки делает несколько поворотов, что связано с тектоническими и геологическими особенностями территории. Верхняя (северная) часть бассейна расположена на средневысотном и слабо расчлененном Витимском плоскогорье [Атлас Забайкалья, 1967]. Южнее большую часть бассейна занимают средневысотные горы с уплощенными междуречьями, низовья бассейна находятся в пределах северной части Читино-Ингодинской впадины с выровненным днищем и средневысотных гор, расчлененные густой сетью широких долин [там же]. Климат региона резко континентальный, холодный, засушливый, среднегодовая температура воздуха равна -2,7 ^оС. Природные условия на всей территории бассейна неодинаковы, они меняются от горных ландшафтов с 500-600 мм среднегодового количества атмосферных осадков и значительной долей снеговых осадков до лесостепных и степных с 300 мм осадков в год, 90% из которых – дождевые. На территории бассейна распространена многолетняя мерзлота (от сплошной на севере до островной на юге). Для бассейна характерна некоторая заболоченность долин водотоков (около 36%) и распространение наледей.
После сравнения результатов полученных с использованием вышеописанных трех методов, а также сопоставления их с топографическими картами на территорию бассейна, можно сделать следующие выводы. Общая водосборная площадь для устья реки получилась одинаковой для всех методов, различия наблюдаются в перераспределении водосборных площадей внутри бассейна. Результаты пространственного распределения водосборных площадей по методам D8 и D-Infiniti явно различаются. При применении первого метода много ячеек с минимальной водосборной площадью, довольно резкие переходы между склонами и долинами, быстрое нарастание водосборной площади от вершин водоразделов к долинам, на склонах множество параллельных потоков. Второй же метод дает другую картину: пути стока более извилистые, наблюдаются разветвления потока вдоль долин, растекание потока, что проявляется в прерывистости водотоков, многочисленных параллельных потоках. При назначении минимальной пороговой площади (0,5 км²) по методу ADRA результаты похожи на D8, при увеличении величины пороговой площади становится ближе к D-Infiniti. Но есть различия – данный метод не создает таких многочисленных разветвленных водотоков в долинах и прерывающихся на склонах.
При размере ячейки 50 м метод D8 даёт неестественную картину стекания воды по территории бассейна с довольно резкими границами водосборных площадей. Это в большей мере характерно для местности с большими уклонами, в долине реки результат ближе к реальности. Метод D-Infiniti даёт более «размазанную» картину, на склонах это может соответствовать действительности, но в долинах водотоков такое растекание кажется маловероятным. Еще более рассредоточенный характер стекания воды по поверхности бассейна (преимущественно на склонах) получается по методу ADRA. Результаты по этому методу наиболее приближены к естественной обстановке, при условии правильно подобранной величины пороговой площади. При подборе данной величины необходимо учитывать природные условия, особенно всё, что влияет на стекание воды по поверхности (свойства почвы, растительности, подстилающих пород, мерзлотные условия). Целесообразно также проводить анализ бассейнов в относительно однородных условиях, т.е. нужно подобрать площадь бассейна, а большие бассейны разбить на несколько подбассейнов.

Литература:

1. Атлас Забайкалья (Бурятская АССР и Читинская область) / Ред. В. Б. Сочава, К. М. Продай-Вода, Н. Н. Тартышев и др. – М.; Иркутск: ГУГК при Совете Министров СССР, 1967. – 176 с.
2. Геоинформатика: в 2 кн. Кн. 1: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под ред. В.С. Тикунова. – М: Издательский центр «Академия», 2008. – 384 с.
3. Lindsay J.B. A physically based model for calculating contributing area on hillslopes and along valley bottoms // Water resources research. – 2003. – Vol. 39. – Рp 1332-1338
4. Montgomery D.R., Foufoula-Georgiou E. Channel network source representation using digital elevation models // Water Resources Research. – 1993. – № 12. – Рp. 3925-3934
5. http://srtm.csi.cgiar.org

Файл с полным текстом:Абакумова.doc