Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткая физико-географическая характеристика бассейна реки Лены 15
1.1. Физико-географический анализ территории исследования 15
1.1.1. Рельеф и геологическое строение 16
1.1.2. Климат 22
1.1.3. Зона многолетней мерзлоты 24
1.1.4. Поверхностные воды 27
1.1.4.1. Краткие сведения об основных реках бассейна р. Лена 27
1.1.4.2. Озера 30
1.1.5. Почвы 31
1.1.6. Растительный покров 34
1.2. Географическая изученность бассейна р. Лена 38
Глава 2. Создание картографической модели бассейнов малых рек 41
2.1. Подготовка цифровой модели рельефа 41
2.1.1. Подбор исходной цифровой модели рельефа. 41
2.1.2. Подготовка модели рельефа. 43
2.2. Методика создания картографической модели бассейнов. 44
2.2.1. Бассейн реки как объект исследования 44
2.2.2. Обзор существующих моделей бассейнов рек 45
2.2.3. Построение границ бассейнов в автоматическом режиме. 49
2.3. Оценка точности картографической модели бассейнов 50
Глава 3. Формирование геобазы данных и картографо геоинформационный анализ бассейновых геосистем малых рек 61
3.1. Площадь бассейнов 64
3.2. Морфометрия рельефа. 67
3.2.1. Уклоны 67
3.2.2. Длина линий тока 70
3.2.3. Экспозиция склонов 72
3.2.5. Глубина расчленения 74
3.2. Климат. 76
3.2.1. Среднегодовая температура воздуха 76
3.2.2. Средняя температура января 79
3.2.3. Средняя температура июля. 79
3.2.4. "Суровость" климата (%) 82
3.2.5. Сумма активных температур (tС). 82
3.2.6. Среднегодовое количество осадков 85
3.2.7. Среднее количество осадков за холодный период года (мм). 87
3.2.8. Среднее количество осадков за теплый период года (мм). 87
3.3. Почвы 90
3.4. Ландшафты. 93
3.4.1. Ландшафтный анализ с использованием геобазы данных бассейнов малых рек 96
3.5. Землепользование 102
Глава 4. Использование геобазы данных в целях геоэкологической оценки территории (на примере потенциального смыва почвы) 106
4.1. История изучения потенциального смыва почвы 108
4.2. Подбор математической модели смыва почв 113
4.3. Методика оценки потенциального смыва почв 118
4.3.1. Морфометрические характеристики рельефа 118
4.3.2. Морфолого-генетические свойства почв 119
4.3.3. Климатические характеристики 122
4.3.4. Землепользование 127
4.4. Расчеты потенциального смыва почв 128
4.4.1. Потенциальные эрозионные потери почвы от ливневого стока 129
4.4.2. Потенциальные эрозионные потери почвы от талого стока 131
4.4.3. Суммарные (годовые) потенциальные эрозионные потери почвы 133
4.4.4. Потери почвы от ливневого стока с учетом землепользования 135
4.4.5. Потери почвы от талого стока с учетом землепользования 138
4.4.6. Суммарные эрозионные потери почвы с учетом землепользования 140
4.4.7. Верификация результатов оценки потенциального смыва почв 144
Выводы 149
Список литературы 151
Приложения 183
- Рельеф и геологическое строение
- Оценка точности картографической модели бассейнов
- Ландшафтный анализ с использованием геобазы данных бассейнов малых рек
- Суммарные эрозионные потери почвы с учетом землепользования
Введение к работе
Актуальность темы: Территориальное развитие Сибири и Дальнего
Востока, обозначенное в планах Правительства РФ как приоритеное направление,
включает научное обоснование проектов по хозяйственному освоению этих
обширных регионов России и прогнозирование антропогенного воздействия. В
России долгосрочное прогнозирование последствий хозяйственной деятельности
на территорию Сибири и Дальнего Востока проводится не впервые и началось со
времен СССР (Симонов, Симонова, 2014). Здесь сконцентрирована основная доля
природных богатств страны, протекают крупнейшие реки России и мира (Обь,
Енисей, Лена, Амур и др.), бассейны, которых все еще недостаточно
географически хорошо изучены и подвергаются возрастающей антропогенной
нагрузке. В составе водосбора крупной реки выделяются бассейны малых рек –
верхнее звено гидросети - наиболее уязвимое к климатическим, антропогенным
изменениям на водосборе (Бутаков и др., 1991, 1996). Географический и
геоэкологический анализ обширных территорий, располагающихся в гумидном
климате, удобнее всего осуществлять на основе бассейнового подхода
(Корытный, 2001; Vogt et al., 2004, 2007; Буряк, 2014; Мальцев, Ермолаев, 2014;
Lisetskii et al. 2014; Ермолаев и др., 2017), используя принцип иерархичности
бассейнов. До недавнего времени создание карт границ бассейнов рек
проводилось с помощью традиционной («ручной») технологии. С появлением
различного рода ЦМР и специализированных геоинформационных программ
бурно развивается направление по автоматизированному выделению границ
водосборов и построение соответствующих тематических карт. Обзор
картографических и литературных источников показал отсутствие электронной
карты бассейнов малых рек на территорию Сибири и Дальнего Востока. Создание
такой карты и привязанной к бассейнам геоинформационной базы данных
является актуальной задачей географической науки, позволяющей на
современном уровне решать широкий круг научных и прикладных задач: оценка
природно-ресурсного потенциала, гидролого-геоморфологическое
моделирование, частное и комплексное районирование (геоморфологическое, климатическое, ландшафтное), геоэкологическая оценка территорий (эрозия, антропогенная нагрузка и др.).
Оценка состояния геосистем бассейнов малых рек арктического водосбора
азиатской части России возможна на основе комплексного пространственно-
временного анализа данных многолетнего мониторинга, тематических
картографических материалов с применением данных дистанционного
зондирования Земли (ДДЗЗ). Возможным решением является создание
специализированной геобазы данных на основе геоинформационных технологий
и математико-статистических методов. Базовым элементом данной ГИС служит
электронная карта или слой с бассейнами рек исследуемой территории. Бассейн
реки здесь выступает в качестве операционно-территориальной единицы, в
пределах которой удобно проводить различные расчеты и пространственный
анализ (Мальцев, Ермолаев, 2014; Ермолаев и др., 2017). Одним из вариантов использования возможностей созданной геопространственной базы данных или геоинформационной системы, привязанной к малым речным бассейнам, является географический анализ и моделирование эрозии для крупного речного бассейна, каким является водосбор реки Лены.
В настоящее время в Казанском федеральном университете под руководством проф. О.П. Ермолаева при поддержке грантов РНФ и РГО создана картографическая модель границ бассейнов малых рек (в масштабе 1:1 000 000), покрывающая практически всю территорию России (Ермолаев и др., 2017). Кроме того, сформирована специализированная геобаза данных и ГИС для малых речных бассейнов. В этих работах по азиатской части России принимал участие и автор представленной диссертации.
Таким образом, в качестве объекта исследования выступают бассейны малых рек водосбора реки Лены, выделенные по карте речной сети масштаба 1:1 000 000. Выбор региона обусловлен слабой географической изученностью бассейнов малых рек в водосборе этой Великой реки. Водосборный бассейн реки Лены – один из крупнейших речных бассейнов криолитозоны Северной Евразии, входит в состав арктического водосбора азиатской части России. В административном отношении он расположен в пределах Сибирского и Дальневосточного ФО РФ. Водосборная площадь р. Лена в большинстве справочной литературы лежит в пределах 2,42-2,46 млн. км2 (Великанов, 1948; Дедков, Мозжерин, 1984; Yang et al., 2002; Alekseev, Drouchits, 2004; Четверова и др., 2011; Магрицкий, 2015; Gelfan et al., 2015).
Глобальные изменения природной среды и возрастающая нагрузка на
территории также определяют масштабное антропогенное преобразование
условий формирования стока наносов и веществ (Walling, Fang, 2003; Syvitski,
Kettner, 2011). Изменение отдельных компонентов стока наносов осуществляются
как процессами на водосборе, связанными с потоками загрязняющих веществ от
объектов промышленных и горнорудных предприятий, сельскохозяйственных
систем, так и точечным сбросом сточных вод и загрязнением от расположенных в
пределах речных долин объектов. Дискретность единого эрозионно-
аккумулятивного процесса показывает исключительную сложность подходов к численному моделированию процессов формирования и перемещения стока наносов, связанную с большой пространственной вариабельностью их факторов, для учета которых требуются значительные информационные пространственно-распределенные ресурсы.
Работы по оценке эрозии на склонах с использованием расчетов потенциального смыва почв в пределах бассейнов различного порядка средствами ГИС-технологий широко распространены как за рубежом, так и в России (Ларионов, 1993; Ларионов и др., 1996; Barthes, Roose, 2002; Голосов, 2006; Литвин и др, 2006; Ермолаев, Мальцев, 2008; Alekseevskiy et al., 2008; Ивонин, Тертерян, 2015; Uddin et al., 2016 и др.). Актуальность подобных расчетов по-прежнему существует, вследствие не только больших региональных различий в
характеристиках параметров, но и выбранного уровня генерализации и самой расчетной эрозионной модели. Обзор публикаций по процессам бассейновой эрозии на территории исследования показал крайне малую изученность этого экзогенного процесса. В азиатской части России проведены исследования по расчету многолетней динамики водного баланса, изучению почвенно-эрозионных процессов в отдельных бассейнах рек Селенги, Томи (Евсеева и др., 2012; Осинцева и др., 2014), Оби, Иркута, на пахотных угодьях севера и центральной части Красноярского края (Кнауб, 2006; Голубев, 2009а, в, г; Рыжов, 2009; Хаптухаева, 2012; Хаптухаева, Тармаев, 2014). Расчеты смыва почв с поверхности локального бассейна с помощью ГИС-технологий рассматриваются в работах Р.В. Кнауб (2006) и Ю.В. Рыжова (2009). В то же время отсутсвуют материалы по бассейнам малых рек и их географо-геоэкологическому анализу на весь водосбор р. Лена.
Целью диссертационного исследования является: геопространственный анализ бассейнов малых рек водосбора р. Лена современными информационными методами.
Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:
-
Создать картографическую модель границ бассейнов малых рек водосбора р. Лена;
-
Провести оценку точности выделенных границ бассейновых геосистем;
-
Сформировать геобазу данных и ГИС на бассейны малых рек;
-
Провести картографо-геоинформационный анализ бассейнов малых рек;
-
Рассчитать потенциальный смыв почв в бассейне р. Лена для различных условий средствами ГИС-технологий.
Теоретико-методологическая основа диссертационного исследования. При работе над диссертацией использовались принципы бассейнового подхода, геосистем и их структур, отраженные в трудах А.Д. Арманда, Л.М. Корытного, А.Н. Ласточкина, Ф.Н. Милькова, А.Ю. Ретеюм, Ю.Г. Симонова, В.Н. Солнцева, В.Б. Сочавы, А. Стралера, В.П. Философова, Р. Хортона, Р.С. Чалова и др.
Изучение водно-эрозионных процессов в бассейнах малых рек опиралось на труды отечественных (Н.И. Балакай, Н.Н. Бобровицкая, Г.П. Бутаков, В.Н. Голосов, А.П. Дедков, О.П. Ермолаев, М.Н. Заславский, Г.А. Ларионов, Ф.Н. Лисецкий, Л.Ф. Литвин, Н.И. Маккавеев, В.И. Мозжерин, Ю.В. Рыжов, Г.И. Швебс и др.) и зарубежных исследователей (А.А. Светличный, I.Z. Gitas, H. Mitasova, R.P.C. Morgan, D. Pimentel, K. Renard, D.D. Smith, R.P. Stone G.J. Wall, D.E. Walling, B. Wang, W.H. Wishmeier, A.U. Zingg и др.).
Использованы результаты исследований, ранее проводившиеся в бассейне р.Лена (О.А. Борсук, В.В. Гордеев, Н.В. Думитрашко, Б.Зонов, С.С. Коржуев, Д.В. Магрицкий, В.Н. Обручев, Е.В. Павловский, И.П. Семилетов, И.С. Сидоров, Ю.Г. Симонов, Т.Ю. Симонова, Н.И. Тананаев, Д.А. Тимофеев, Р.С. Чалов, С.Р. Чалов, И.Д. Черский и др.).
Исходные материалы. В основу работы легли полученные автором векторные цифровые и растровые карты бассейна р.Лена, для этого были
использованы следующие тематические картографические материалы и базы данных, которые в основном находятся в свободном доступе, за исключением карты типов землепользования:
1. Цифровая модель рельефа (ЦМР) GMTED2010, шаг регулярной растровой
сетки – 250*250 м., количество точек 40 000 000;
-
Карта гидросети, масштаб – 1:1 000 000;
-
Почвенная карта России, масштаб 1:2 500 000 (ЕГРПР РФ);
-
Карта типов землепользования, шаг регулярной растровой сетки – 230*230 м., масштаб 1:2 500 000 (ИКИ РАН);
-
Ландшафтная карта России, масштаб - 1:5 000 000 (IIASA);
6. Данные ВНИИГМИ-МЦД: координаты метеостанций, ежедневные данные
температуры воздуха и количества осадков ();
7. Карта запасов воды в снеге (рукописная) (НИЛ ЭПиРП);
8. Карта "Районирование севера Евразии по внутригодовому распределению
эрозионного потенциала осадков" (Ларионов, 1993);
9. Карта эрозионного потенциала осадков (ЭПО) (Ларионов, 1993);
10. Модель смыва почв, рекомендованная НИЛ Эрозии почв и русловых
процессов им. Н.И. Маккавеева МГУ им. М.В. Ломоносова;
11. При идентификации пойм крупных притоков и самой р. Лена использовались
космические снимки высокого разрешения с ресурса SAS.Planet (версия 160707).
В исследовании применялись следующие методы: сравнительно-
географический, картографический, математико-статистический,
дешифрирование данных дистанционного зондирования Земли.
Морфометрические параметры рельефа получены в ГИС-приложении ArcGIS 10 с
помощью модуля 3D Analyst и Spatial Analyst. Тематические карты по
климатическим характеристикам, расчет потенциального смыва почв, создание и
пополнение базы данных производилось в ГИС-приложении MapInfo 10.5. Карты
потенциального смыва почв транслировались в растровые файлы в ГИС-
инструменте Surfer 10, в дальнейшем для получения карты смыва с учетом
землепользования использовался инструмент Reclassify и Raster Calculator ГИС-
приложения ArcGIS 10. Основные статистические данные рассчитаны в
программных продуктах Surfer 10, SAGA GIS, MapInfo 10.5, QGIS.
Научная новизна работы. Впервые для крупной территорий России – бассейнов малых рек водосбора Лены – создана картографическая модель регионального уровня пространственной детальности в масштабе 1:1 000 000. Создана геобаза данных для бассейнов малых рек водосбора р. Лена. Впервые проведен географический анализ бассейнов малых рек водосбора р. Лена. Произведена адаптация компонентов математической модели для условий крупного речного бассейна с целью определения потенциальных эрозионных потерь почвы с использованием ГИС-технологии.
Практическая значимость результатов исследования определяется тем, что они могут быть использованы в качестве информационной основы при инженерно-экологических, инженерно-гидрологических изысканиях крупной
территории России, открывают возможности для использования созданной специализированной геобазы данных при управлении природопользованием на основе бассейнового принципа.
Материалы диссертации вошли в научные отчеты по следующим проектам:
грант РГО "Создание картографо-геоинформационной системы "Реки и речные
бассейны Арктического водосбора России" (№03/2016-И от 06.05.2016); грант
РГО "Создание картографо-геоинформационной системы "Реки и речные
бассейны Дальневосточного Федерального округа" (№14/2017-И от 25.05.2017);
проект Минобрнауки РФ "5-100" в рамках открытого конкурса на получение
государственной поддержки ведущих университетов в целях повышения их
конкурентоспособности среди ведущих мировых научно-образовательных
центров: Научно-исследовательская лаборатория "Космоэкология" – в составе
стратегической академической единицы Казанского федерального университета
«Astrochallenge: космология, мониторинг, навигация, приложения»
(«Astrochallenge»).
Получены три авторских свидетельства Роспатента на базы данных для территории исследования.
Основные положения, выносимые на защиту, соответствуют
представленным выше задачам исследования:
1. Картографическая модель бассейнов малых рек водосбора р. Лена
регионального уровня генерализации.
-
Геобаза данных и геоинформационная система на бассейны малых рек водосбора р. Лена.
-
Результаты картографо-геоинформационного анализа бассейнов малых рек.
4. Результаты оценки потенциальных эрозионных потерь почвы в бассейнах
малых рек водосбора р. Лена с использованием ГИС-технологий.
Достоверность полученных результатов подтверждается использованием
общепринятых средств и методов исследований, соответствующих поставленным
цели и задачам, в том числе рецензируемых опубликованных картографических
материалов, данных дистанционного зондирования Земли из космоса,
многолетних метеорологических данных, полученных из официальных открытых
источников, современных способов ГИС-моделирования на основе
гидрологически корректной глобальной цифровой модели рельефа, находящейся в открытом доступе.
Декларация личного участия автора. Диссертационная работа является самостоятельно выполненным научным трудом. Автор лично участвовал при проведении работ по сбору и камеральной обработке материала, анализе полученных результатов. Из научных трудов, опубликованных в соавторстве, в работе использованы лишь те идеи и положения, которые являются результатом личной работы соискателя.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на кафедре ландшафтной экологии К(П)ФУ; на Международной
конференции EGU General Assembly (Vienna, 2016); Трешниковских чтениях – 2017, 2018 (г. Ульяновск, 2017, 2018 гг.); XIII, XIV Большом Географическом Фестивале (г. Санкт-Петербург, 2017, 2018 гг.); XXIV Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (г. Москва, 2017 г.); VI Международной научно-практической конференции "Актуальные вопросы геодезии и геоинформационных систем" (г. Казань, 2017 г.); III Международной конференции "Окружающая среда и устойчивое развитие регионов: Экологические вызовы XXI века" (г. Казань, 2017 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Рациональное использование и охрана водных ресурсов" (г. Барнаул, 2017 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Проблемы региональной экологии и географии" (г. Ижевск, 2017 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 22 печатных
работы, в том числе: 2 статьи в реферируемых источниках, входящих в список
изданий, рекомендованных ВАК; 3 свидетельства о регистрации
специализированной геоинформационной базы данных для ЭВМ в ФГУ ФИПС – РОС-ПАТЕНТ; 5 статей в журналах, индексируемых в зарубежных базах данных (Scopus, WoS); 12 докладов на Международных и Всероссийских конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка цитируемой литературы (292 источника, в том числе 116 -иностранных) и иллюстративного материала (54 рисунка и 23 таблицы), 4 приложений. Объем диссертации составляет 198 страниц.
Благодарности. Выражаю искреннюю признательность своему научному руководителю д.г.н., проф. О.П. Ермолаеву за руководство и поддержку на протяжении всего периода подготовки диссертации, а также доценту К.А. Мальцеву, ассистенту кафедры ландшафтной экологии М.А. Иванову, доценту кафедры моделирования экологических систем С.С. Мухарамовой; всем сотрудникам кафедры ландшафтной экологии К(П)ФУ за всемерную дружескую поддержку и помощь в проводимых исследованиях. Отдельно хотелось бы выразить благодарность сотрудникам НИЛ Эрозии почв и русловых процессов В.Н. Голосову, С.Ф. Краснову, Л.Ф. Литвину - за ценные консультации и практическую помощь в использовании технологии расчета смыва. Спасибо за понимание и оказанное содействие моим близким, в особенности своей супруге, без поддержки которых выполнение исследования было бы невозможным.
Рельеф и геологическое строение
Рассматриваемая территория принадлежит преимущественно трем крупнейшим тектоническим структурам Восточной Сибири: Сибирской платформе, Байкальской и Верхояно-Колымской горноскладчатым областям. Строение рельефа, характер и условия залегания горных пород на ней неоднородны. На Сибирской платформе преимущественно развиты плоскогорья, пластовые плато и равнины. Байкальская и Верхояно-Колымская горноскладчатые области характеризуются горным, сложно построенным рельефом, развивающихся в первом случае на значительно метаморфизированных палеозойских породах, во втором – преимущественно на мезозойском складчатом основании; палеозойские породы выведены на поверхность лишь в отдельных блоках. Наряду с горными областями в пределах Верхояно-Колымской области широко развиты низменности, приуроченные к жестким срединным массивам или синклинальным структурам, являющихся районами устойчивого опускания в мезозойское и кайнозойское время.
Западная часть территории бассейна р. Лена захватывает часть СреднеСибирского плоскогорья. Оленёкско-Вилюйское плато характеризуется развитием столовых возвышенностей, поверхность которых бронирована траппами, широко представленными в вулканогенно-осадочном комплексе пород преимущественно триасового возраста, слагающих основание плато. Отметки поверхности на Оле-нёкско-Вилюйском водоразделе составляют в среднем 500-1000 м, постепенно уменьшаясь к востоку до 300 м. Глубина вреза речных долин составляет 400-100 м. Слоистое чередование в разрезе терригенных пород с пластовыми интрузиями и многочисленные дайки обуславливают ступенчатый профиль речных долин, наличие многочисленных порожистых участков и водопадов.
Южнее от Оленёкского пластового плато расположено Приленское плато, сложенное преимущественно карбонатными, местами галогенными и гипсовыми палеозойскими породами. На востоке они полого падают в северном направлении, и их моноклинальное залегание в сочетании с эрозионными процессами предопределяет куэстовый облик рельефа поверхности плато. Западнее долины р. Олёкмы строение поверхности плато более сложное, отражающее линейную складчатость коренных пород, ориентированных примерно параллельно границе Байкальской горноскладчатой области. Повсеместно поверхность Приленского плато осложнена карстовыми формами.
Абсолютные отметки Приленского плато постепенно опускаются от 700-800 м на юге до 300 м на севере, к долине р. Лены. Речная сеть врезана на глубине 150-100 м, причем в связи с интенсивным развитием карста многие водотоки имеют лишь временный сток.
В восточном направлении Среднесибирское плоскогорье постепенно переходит в Центрально-Якутскую низменность, охватывающую долины рек Лены, Вилюя и Алдана в их нижнем и частично среднем течениях и соответствующие междуречные равнины. Низменности представляют собой области устойчивого опускания и осадконакопления в мезозойское, а в центральной части и в кайнозойское время. В сложении ее участвуют преимущественно терригенные отложения юрского, мелового и местами неогенового возраста. Широко развиты четвертичные отложения – озерно-ледниковые и аллювий рек Лены, Вилюя и их притоков и покровные суглинки и супеси. На востоке низменности распространены отложения ледникового комплекса. Суглинистые и супесчаные отложения высоких террас и водоразделов насыщены льдом.
Строение поверхности низменности в основном определяется морфологией речных долин. В долине реки Лена намечаются пойма, низкие и высокие надпойменные террасы (всего 10 террас, включая пойму). Относительное превышение наиболее высокой табагинской террасы над урезом воды в р. Лена достигает 150 м. Поверхность высоких террас осложнена долинами притоков рек Лены и Вилюя, термокарстовыми понижениями и озерами, многолетними буграми пучения, эрозионными останцами и местами дюнами.
В южном направлении Среднесибирское плоскогорье постепенно переходит в Алданское нагорье, сложенное преимущественно кристаллическими и метаморфическими породами архейского и протерозойского возраста. В тектонических впадинах здесь залегают юрские и карбонатные породы нижнего кембрия. Последние слагают также отдельные хребты в восточной части Алданского нагорья, являющегося сложно построенной и сильно расчлененной горной страной, представляющей собой систему плоскогорий, отделенных друг от друга среднегорны-ми хребтами или межгорными впадинами. Абсолютные отметки плоскогорий 600-1200 м. Высота водораздельных горных хребтов и отдельных гольцовых возвышенностей 1600-2000 м. Днища высокоподнятых межгорных котловин лежат на отметках 700-800 м. С юга Алданское нагорье окаймлено альпинотипным Становым хребтом, являющимся водоразделом между бассейнами рек Лены и Амура. Максимальная отметка Станового хребта достигает 2412 м. Рассматриваемая территория охватывает северо-восточную часть Байкальской горноскладчатой области, на которой располагаются бассейны рек Витима, Чары и частично Олёкмы. На севере выделяются Северо-Байкальское и Патом-ское нагорья, сложенные собранными в складки породами протерозойского возраста, представленными в нижней части разреза гнейсами, кристаллическими сланцами, кварцитами, а в средней и верхней его частях – известняками, мрамо-ризованными известняками, мраморами, песчаниками, алевролитами, гравелитами и кварцитами. Нагорье характеризуется среднегорным и низкогорным рельефом, абсолютные отметки поверхности составляют 1000-2000 м, глубина вреза речных долин достигает 300-400 м.
К югу и юго-западу от Северо-Байкальского и Патомского нагорий простирается в северо-восточном направлении Саяно-Байкальское становое нагорье, в строении которого принимают участие протерозойские и интрузивные породы. Его рельеф характеризуется сочетанием высоких хребтов с глубокими кайнозойскими впадинами. Высота хребтов достигает 2500-3500 м, отметки днищ впадин составляют 455-1400 м. Характерны черты мезорельефа, связанные с ледниковой экзарацией, встречаются и современные ледники. В межгорных понижениях развиты термокарстовые и другие проявления криогенеза.
Южнее Саяно-Байкальского станового нагорья располагаются Забайкальские средние горы и плоскогорья, для которых характерны широкие и удлиненные впадины, сочетающиеся со сводовыми поднятиями водоразделов. Абсолютные отметки водораздельных хребтов 800-1800 м, отметки днищ впадин 500-1000 м. Водораздельные хребты сложены кристаллическими и метаморфическими породами, во впадинах развиты мезо-кайнозойские и кайнозойские терригенные образования.
Верхояно-Колымская горноскладчатая область охватывает восточную часть рассматриваемой территории. Верхоянская цепь представляет собой систему горных хребтов субмеридиального простирания, сложенных преимущественно верхнепалеозойскими терригенными отложениями верхоянского складчатого комплекса. Западные склоны хребтов Верхоянской цепи обрываются к долинам рек Лены и Алдана уступом высотой 400-500 м. Абсолютные отметки водоразделов хребтов повышаются с севера на юг. Окраинная северная часть Верхоянской цепи обладает низкогорным рельефом с высотами водоразделов не более 1000 м.
Данная территория характеризуется сравнительно спокойным неотектоническим режимом за исключением Алданского щита. На фоне медленных восходящих движений с небольшой амплитудой, характерных для неотектонического режима Сибирской платформы, формировались локальные впадины типа Нижнеалданской, впадины в верховьях р. Вилюя.
Общий структурный план территории находит свое отражение в современном очертании гидрографической сети. Так, обтеканием относительно приподнятого Среднесибирского плоскогорья обусловлен широтный участок течения р. Лена, на протяжении которого ее долина глубоко врезана в карбонатные, кембрийские отложения. В пределах Верхнеянского прогиба долины рек меняют направление на северо-западное и субмеридиальное в соответствии с направлением оси прогиба, но сдвинуты в сторону платформенного его крыла вследствие обтекания ледниковых образований и конусов выноса, образованных реками, стекающими с Верхнеянского хребта.
Территория Алданского щита и простирающаяся к западу и юго-западу от него Байкальская складчатая область более активна в тектоническом отношении. Гидрографическая сеть Алданского щита и Байкальской складчатой области связана с разрывной тектоникой, обусловившей блоковый характер неотектонических движений.
Оценка точности картографической модели бассейнов
Ранее методика автоматизированного выделения границ бассейнов была отработана на территории европейской части России коллективом исследователей под руководством проф. О.П. Ермолаева. В частности, для территории Приволжского федерального округа на основе глобальных ЦМР SRTM и ASTER GDEM было выделено более 70 000 речных бассейнов (Ермолаев и др., 2014). Оценка точности автоматизированного метода выделения бассейнов проводилась путем сопоставления полученной сетки бассейнов с границами бассейнов, выделенных экспертным (традиционным ручным) методом, т.е., опытный географ по картам того же масштаба (1:200 000) выделял бассейны, которые потом векторизовались. Для этого был выбран контрольный участок с возвышенным рельефом на юго-востоке Татарстана общей площадью 6002 км2. Экспертом на этой территории было выделено 260 бассейнов (рис. 2.1).
Суммарная площадь «ошибок» составила 68,31 км2. Это чуть более 1% от общей площади контрольного участка. Даже если предположить, что ручные технологии более точны, ошибка получилась ничтожно малой.
Еще одно исследование по оценке точности выделения границ водосборов проведено теми же исследователями по сетке бассейнов малых рек, выделенных для территории европейской части России с использованием ЦМР GMTED2010. Эта модель, как ранее отмечалось, была использована в наших исследованиях по бассейну реки Лены. На территории ЕЧР выделено более 50 000 речных бассейнов. Верификация точности выделения границ была проведена тем же методом. Для этого было выбрано 6 участков с различными морфогенетическими типами рельефа в пределах Республики Татарстан, Белгородской и Курской областей. Оценивалось как совпадение площадных характеристик, так и «правильность» геометрии границ. В качестве примера показан фрагмент такого сопоставления для Курской области (рис. 2.2).
По результатам работы установлено, что на выбранных тестовых участках средняя разница показателя площади бассейнов, выделенных автоматически и экс-пертно, составила 3,6%. Для участков со слабо расчлененным, низменным рельефом эта ошибка не превышает 5%, а на участках с относительно расчлененным, возвышенным – около 2%. (Ermolaev et al., 2017).
Верификация границ бассейнов
Несмотря на неоднократные исследования, ранее проведенные для оценки точности автоматизированного выделения границ бассейнов по европейской части России, показывающие хорошую точность применяемой методики, нами также проведена аналогичная работа по нескольким тестовым участкам территории Сибири. Для этого были выбраны два участка с низменным, слабо расчлененным и возвышенным рельефом. Отметим, что границы бассейнов рек проводились по всему арктическому водосбору азиатской части России, включая и р.Лена, поэтому выбранные для верификации точности бассейны не обязательно должны были находиться в пределах бассейна р.Лена. Выбор тестовых участков был основан на принципе их различия по морфогенетическим типам рельефа, а также наличия на них в открытом доступе топографических карт масштаба (1:200 000). Полученные при анализе результаты в последующем можно экстраполировать и на бассейн р.Лена.
Верификация границ бассейнов в условиях низменного рельефа.
Для верификации точности полуавтоматического выделения бассейнов для рек, формирующихся в условиях уплощенного рельефа в пределах низменных равнин и болотистой местности, в качестве тестовой территории выбран бассейн р. Тоитъёган. Этот бассейн – правый приток р. Куноват, впадающей в р. Обь (Ямало-Ненецкий АО). Для экспертного определения границ бассейнов были взяты топографические карты масштаба 1: 200 000, которые затем совмещались с границами бассейнов, выделенными в полуавтоматическом режиме на основе глобальной модели рельефа GMTED2010.
В главном бассейне р. Тоитъёган обоими методами построено одинаковое количество бассейнов малых рек - 13 (рис. 2.3).
Сравнение выделенных бассейнов двумя методами показало, что для главного бассейна р.Тоитъёган различия в площадях составляют около 2%, а в малых речных бассейнах максимальная разница может достигать 20 % (табл. 2.1).
В этой связи существенные различия по площадям отмечаются в нескольких очень малых по площади бассейнах (басс. №№ 6, 11, 12), приуроченных к междуречным пространствам р. Тоитъёган. Здесь даже незначительные площадные различия логично ведут к существенной «ошибке». Внимательный анализ картографических материалов на эту территорию показывает, что все ошибки обусловлены двумя причинами. Во-первых, генерализацией рельефа, не позволяющей ни одним из методов точно определить водораздельную линию на участках либо широких пойм, либо таких же междуречных пространств с большим количеством озерно-болотных комплексов (рис. 2.4; участки б, в, г).
Вторая причина также связана с различием генерализации рельефа на топо-карте и используемой ЦМР, которая мельче карты масштаба 1:200 000. При этом на топокарте у эксперта есть более точная модель рельефа с гидросетью, а используемая ЦМР за счет своего разрешения «не видит» этих деталей (рис. 2.4; участки е, д, а). Особенно это касается малого речного бассейна №9. На приведенных фрагментах бассейна р. Тоитъёган хорошо видны и ошибки, сделанные при проведении водораздельной линии экспертом по сравнению с «машинным» выделением в целом ряде бассейнов малых рек (5, 13, 14; рис. 2.4; участки б, в, г).
Можно также заметить, что при увеличении площадей малых речных бассейнов наблюдается уменьшение различий в площадях и конфигурациях линий водоразделов, вследствие лучшего отображения рельефа главных водоразделов и перегибов склонов как на ЦМР, так и на топографических картах.
Средняя ошибка по сравнению с экспертным выделением границ бассейнов, взятая по модулю, на данный тип территории составляет 8,3%. Если исключить малые речные бассейны, где ошибки сделал эксперт или где точность топокарты по отображению гидросети оказалась выше, чем используемая ЦМР (бассейны малых рек №9, 6, 14, 11), - то ошибка полуавтоматизированного выделения границ составит около 5%.
Верификация границ бассейнов в условиях возвышенного и горного рельефа Второй ключевой участок выбран для рек, протекающих в условиях возвышенного и горного рельефа, выбран бассейн р. Тарын-Юрях, являющейся правым притоком р. Мома, которая в свою очередь впадает в р. Индигирка (Республика Якутия). Основой экспертного определения границ бассейнов также послужили топографические карты масштаба 1: 200 000, на сетку которых затем наносились бассейны, выделенные по нашей методике. Количество выделенных бассейнов малых рек обеими методиками оказалось одинаковым – 25. Общая площадь водосбора р. Тарын-Юрях составляет 1387 км2. Результат выделения представлен на рис. 2.5.
Ландшафтный анализ с использованием геобазы данных бассейнов малых рек
Анализ основных морфометрических характеристик и климатических показателей бассейнов малых рек Лены в пределах типов ландшафтов проведен на основе ландшафтной дифференциации (Приложение Г). Из всех морфометрических показателей рассмотрены крутизна склонов, длина линий тока, эрозионный потенциал рельефа, а также климатические параметры, представленные в разделе 3.2 настоящей главы. При этом основной акцент делается на показатели среднего значения анализируемых параметров. В последней строке каждой из таблиц «Приложения», названной "Общая" приводится средний показатель по ландшафтному классу.
Рассмотрим малые речные бассейны, размещенные в пределах ландшафтного класса «горы» (Приложение Г; табл. Г.1). Данный класс подразделяется на 4 типа ландшафтов: горные тундры – Верхоянский хребет от мп. Югаренок (р. Алдан) до дельты Лены; горные редколесья – Верхоянский хребет, правобережье нижнего течения р. Лена от впадения Вилюя до мп. Джарджан; горные таежные леса – фрагментарно южная и восточная часть водосбора Лены между мп. Каза-чинское и Крест-Халыджай; горные тундры и предтундровые редколесья – весьма эпизодически встречается в бассейнах, расположенных в южной и юго-восточной части водосбора Лены между мп. Казачинское и Нелькан (рис. 3.25).
По морфометрическим показателям самый большой уклон характерен малым речным бассейнам, расположенным в горной тундре и предтундровых редколесьях (12,2).Здесь также наблюдаются сравнительно низкие значения средней длины склонов, не только по классу, но и по всему бассейну Лены (1848,9 м) и большой эрозионный потенциал рельефа (23,1). Низкое значение крутизны склонов (5,9) и ЭПР (9,3) встречается в горных редколесьях, хотя длина склонов (2181,6 м) здесь занимает среднее положение по классу. Климатические характеристики класса ландшафтов «горы» весьма суровые: среднегодовая температура редко превышает -6,1С (горные таежные леса, горные тундры и предтундровые редколесья), фоновое значение -8 С (рис. 3.26).
Среднегодовое количество осадков 345,8 мм. Максимальное количество осадков (389,5 мм) выпадает в горных таежных лесах (мп. Нелькан), а минимальное (248,3 мм) отмечено в горных редколесьях (между правобережьем нижнего течения Лены и Верхоянским хребтом, мп. Жиганск)
Распределение морфометрических и климатических показателей в пределах типов ландшафтов предгорных и межгорных равнин бассейнов малых рек водосбора Лены представлено в Приложении Г; табл. Г.2. Данный класс подразделяется на 5 типов ландшафтов: «горные тундры» – Верхоянский хребет возле мп. Жи-ганск, дельта Лены (мп. Кюсюр); «горные редколесья» – Верхоянский хребет, правобережье нижнего течения р. Алдан от мп. Югаренок до мп. Томпо; «таежные» – локальное расположение ОТЕ на юго-востоке (мп. Чульман, Алдан , Джи-кимда), востоке (мп. Нелькан, Учур, Токо) и северо-востоке (мп. Сеген-Кюель) водосбора Лены; «горные таежные леса» – фрагментарно южная и юго-восточная часть водосбора Лены между мп. Сосново-Озерское и Югаренок; «горные тундры и предтундровые редколесья» – эпизодически в бассейнах малых рек Витима (мп. Средний Калар), Олекмы (мп. Чара), Алдана (мп. Токо). Как и в случае с горными ландшафтами, в горных тундрах мы наблюдаем связь между морфометрическими характеристиками: "покатая" крутизна склонов (4,7), самые большие средние длины склонов (2749,9 м), меньший ЭПР (11,2) (рис. 3.27).
Бассейны малых рек, расположенные в горной тундре и предтундровых редколесьях характеризуются следующими значениями: крутые склоны (10,6), меньшие длины склона (2099,5 м), больший ЭПР (24,9). При этом средние значения морфометрии рельефа (5,8; 2472,1м; ЭПР - 13,6) показывают, что в целом склоны бассейнов данного класса ландшафтов более пологие по сравнению со склонами предыдущего горного (9,6; 2156,1 м; ЭПР - 18,1) класса ландшафтов.
Среднегодовая температура воздуха, установленная в пределах бассейнов (-7,4 С), показатель «суровости» климата (27,4%) по сравнению с аналогичными параметрами бассейнов, расположенных в горном ландшафте, несколько выше, так же как и среднегодовое количество осадков (362,3 мм) (рис. 3.28).
При анализе бассейнов по типам ландшафтов минимальные значения среднегодовой температуры (-12,6 С) характерны горным тундрам не за счет низких январских температур (-32,3 С), а более прохладного лета (+8,5 С), о чем свидетельствует не очень высокий показатель суровости климата (29,2%). Отмечено увеличение количества среднегодовых осадков, наблюдаемое в пределах ландшафтных типов, что в большинстве случаев достигается за счет осадков летнего периода: от 131,9 мм. в бассейнах малых рек горной тундры в низовьях Лены (мп. Кюсюр) до 329,8 мм. в бассейнах горной тундры и предтундровых редколесий верхнего течения р. Алдан (мп. Токо).
В пределах равнин отмечены 8 типов ландшафтов: арктические тундровые – дельта Лены (мп. Кюсюр); субарктические тундровые – ОТЕ в дельте р. Лена (мп. Кюсюр); горные арктические тундры – бассейны малых рек на устьевом участке Лены (мп. Кюсюр); горные тундры – левобережье устьевой части Лены (мп. Кю-сюр); лесотундровые – левобережье нижнего течения р. Лена (между мп. Джард-жан и Кюсюр); горные редколесья – левый склон долины нижнего течения р. Лена (мп. Кюсюр); таежные – самый представительный тип ландшафтов, полностью занимающий левобережье р. Лена (за исключением небольшого участка в верховье от истока до мп. Максимово), в бассейнах нижнего течения Олекмы (южнее мп. Джикимда), среднего и нижнего течения левобережья р. Алдан (от мп. Алдан), весь водосбор р. Вилюй (за исключением левобережья верхнего течения до мп. Шелагонцы); горные таежные леса – верховье р. Лена до мп. Максимово, верхнее течение р. Вилюй до мп. Шелагонцы (рис. 3.29; Приложение Г; табл. Г.3).
Фоновое значение крутизны склонов 2,3, длины склонов 2286,3 м, ЭПР 6,2, по сравнению с показателями бассейнов малых рек других классов характеризуется следующим образом: бассейны относящиеся к классу «равнины», располагают покатыми склонами, хотя максимальные значения длины склонов характерны для бассейнов на меж-, предгорных равнинах, а самый низкий показатель ЭПР выявлен на равнине. При разбивке по типам ландшафтов высокая крутизна склонов отмечена в горных таежных лесах (4,3 – "покатые") минимальное значение уклонов встречается в субарктической тундре (0,2 – "слабопологие"). Максимальная длина склонов характерна для бассейнов ландшафтов горных арктических тундр (устье р. Лена – 3110,5 м), минимальные в бассейнах горной тундры (левобережье нижнего течения р. Лена (мп. Кюсюр) – 1864,5 м).
Климат данного класса, по сравнению с остальными классами, весьма «суровый», здесь наблюдается сравнительно более низкая фоновая среднегодовая температура (-8,9). Минимальные значения среднегодовой температуры в пределах равнин отмечены в субарктических и горно арктических бассейнах малых рек (-13,9 С), что является следствием более низкого температурного фона июля (4,8 С и 5,5 С). Как и в случае с другими классами ландшафтов, с продвижением на юг при смене арктических ландшафтов на таежные типы увеличивается доля осадков теплого периода года в значении (рис. 3.30).
Суммарные эрозионные потери почвы с учетом землепользования
Вычисленные величины суммарного (годового) смыв почв отображены на электронной тематической. Результаты этих расчетов показывают, что среднее значение годовых потерь почвы на территории исследования с учетом типов покрова уменьшилось почти на два порядка и в среднем составляет 0,22 т/га. При этом на талый смыв приходится 0,09 т/га, на ливневой - 0,13 т/га. Доля земель с высоким коэффициентом эрозионной опасности ( 50 т/га) снизилась пратически до нуля (0,0003%) (рис. 4.13). Учитывая ландшафтно-географические особенности бассейна реки Лены, эти значения больше соответствуют реальности (Шынберге-нов, 2017д; Shynbergenov et al., 2017).
Однако ранее полученные материалы по смыву для условий чистого пара также имеют определенное смысловое значение. В частности, они прогнозируют, какая интенсивность эрозии возможна в случае сведения растительного покрова и распашки территории бассейна, т.е. показывает максимально возможный сценарий развития эрозии. Поэтому карту 4.3. можно считать картой «эрозионного риска» бассейна р. Лена.
На карте суммарного смыва почв с учетом землепользования в бассейне р. Лена видны ареалы максимального смыва, которые расположены по правому склону долины р. Лена. К ним относятся участки возвышенного рельефа (Лено-Ангарское плато, Становое нагорье, Патомское нагорье, Становой хребет, Алданское нагорье, хребет Сетта-Дабан, Верхоянский хребет). Что неудивительно, ведь почвы горных территории отличаются малой мощностью, каменистостью и широким развитием водной эрозии (Рожков, 2007). Ю.В. Рыжов (2009) на примере возвышенных территорий юга Восточной Сибири приводит следующее определение данного явления: "водоразделы и крутые склоны обычно покрыты лесами", здесь формируется "сбросный эффект", ниже по склону располагаются долины, где происходит "локальный смыв и размыв". Здесь встречаются ареалы с высокими показателями смыва почвы ( 50 т/га/год). В пределах левобережной части долины с низменным рельефом (Приленское плато, Центрально-якутская равнина, понижения Среднесибирского плоскогорья, Северо-Сибирская низменность) преобладает смыв до 0,5 т/га/год. В бассейне реки Алдан (в пределах Станового хребта, Алданского нагорья), вследствие общего возвышенного характера рельефа и, соответственно, больших значений эрозионного потенциала, смыв почв по правому склону доходит до 50 т/га/год. Далее по левому склону, где начинается Приленское плато, смыв почвы уменьшается, а максимальные значения не превышают 10 т/га/год. Ниже по течению Алдана, после впадения реки Ханда, преобладает низменный рельеф, что отражается на величинах смыва - в основном до 0,5 т/га/год. Совершенно иная морфометрия рельефа, соответствующая горным условиям, наблюдается в бассейнах рек Витим и Олекма. Здесь, благодаря горному рельефу, смыв может достигать до 50 т/год, с фоновым значением 2,5 т/год. Бассейн р. Вилюй располагается в слабо расчлененном равнинном рельефе. В среднем течении он возвышенный, а в нижнем – низменный. Здесь значения смыва почв редко превышают 10 т/год, доминирует смыв не более 0,5 т/га/год.
Гистограмма частот суммарных потерь почв в ландшафтных классах с уче том землепользования имеет левостороннюю асимметрию (рис. 4.14).
Доминирует "нулевое" значение смыва (0-0,01 т/га/год), субдоминантное положение характерно интервалу 0,01-0,5 т/га/год. В приводимых интервалах больше потерь наблюдается на равнине 51,9% и 45,7%, соответственно (рис. 4.14). Слабый и средний смыв почв в ландшафтных классах бассейна р. Лена выражен в горах: 0,5-2,5 т/га/год – 20,3%, 2,5-5 т/га/год – 2,7%. Значение смыва от 5 т/га и выше в пределах ландшафтных классов бассейна р. Лена показывает ничтожные величины, не более 0,7% в горах (5-10 т/га/год).
Рассмотрим, основные статистические показатели потенциального смыва почв в бассейне р. Лена. Среднее значение потенциального суммарного смыва в бассейне р. Лена составляет (для условий чистого пара) 42,3 т/га/год, в котором 61% приходится на смыв от ливневого и 39% – от талого стока (табл. 4.7).
По сравнению с результатами расчета потенциального смыва почв, проведенными по аналогичной методике на примере Татарстана (Мальцев, 2006), где доля эрозии от талого стока составляла 10% от суммарного смыва, в наших расчетах наблюдается ощутимый рост данного вида эрозии. Здесь уместно привести утверждение Л.Ф. Литвина (2002), по которому на больших территориях талый смыв повышается, ввиду многократного увеличения единовременно охватываемой площади, что создает благоприятные условия для увеличения транспортирующей способности талого потока в перемещении наносов в русла рек.
Среднее значение суммарного смыва почв с учетом землепользования в бассейне р. Лена (0,22 т/га/год) показывает реальную картину смыва, где 60% смыва приходится на ливневой и 40% на смыв от талого стока. При этом, максимальные значения данных категорий смыва существенно разнятся, по сравнению со смывом без учета землепользования.