ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ГЕОГРАФИЧЕСКАЯ, 2013, № 1, с. 62-72
ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ДИНАМИКА ГЕОСИСТЕМ ==
УДК 551.46.06
АНАЛИЗ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДВОДНОГО РЕЛЬЕФА ЛАДОЖСКОГО ОЗЕРА НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ
© 2013 г. М.А. Науменко
Институт озероведения РАН Поступила в редакцию 12.04.2011 г.
Одним из важных направлений озероведения является количественная характеристика подводного рельефа крупных озёр и установление взаимосвязи между ее параметрами и гидрологическими особенностями котловины. На основе усовершенствованной цифровой модели дна Ладожского озера определены статистические характеристики глубин и уклонов дна лимнических районов и всего озера. Даётся описание рельефа лимнических районов, его особенностей и процессов седиментации. Характерные горизонтальные масштабы определены с использованием двумерных пространственных автокорреляционных функций глубин и уклонов.
Введение. Подводный рельеф влияет на распределение и трансформацию различных видов вещества и энергии в озёрной котловине. Гидротермодинамические процессы в крупных озёрах во многом определяются распределением глубин, а морфометрические характеристики котловины озера - степень ветрового воздействия на водную толщу, степень перемешивания и меру обмена массой и энергией с атмосферой и проникновения тепла вглубь. Особое значение приобретают точные морфометрические величины для составления водного, теплового и химического баланса озера. От формы и размеров озерной впадины зависят сроки ледостава и льдоразрушения. В зависимости от генезиса форм рельефа и, следовательно, различных морфометрических показателей: площади, максимальной и средней глубины, будет возникать пространственная неоднородность седиментационных процессов.
Современный уровень познания озёр базируется на создании их батиметрических моделей, позволяющих достаточно полно с использованием статистических методов изучать недоступный для визуального наблюдения подводный рельеф [2, 7, 16, 17]. В настоящее время созданы батиметрические модели Великих Американских озёр, Ладожского и Онежского озер [9, 10], оз. Байкал [19]. Они позволили определить разнообразные объёмные и площадные характеристики как всей котловины озера, так и его лимнических районов [5].
Дно Ладожского озера относится к одному из наиболее типичных образцов внутриконтинен-тального гляциального шельфа. В пределах современного дна озера проходит важнейшая в геолого-структурном отношении шовная зона сочленения Балтийского щита и Русской плиты, предопределяющая сложное взаимоотношение разнопорядковых комплексов, включающих древнейшие образования кристаллического цоколя архея [4]. В целом котловина крупнейшего в Европе озера представляет собой крупную депрессию, вытянутую в северо-западном направлении, навигационный уровень воды в которой располагается на высоте 5.1 м БС. Отношение максимальной длины озера к максимальной ширине равняется 1.75. Показатель площади, т.е. отношение площади зеркала озера к площади водосбора, составляет 0.06, а относительная глубина (отношение максимальной глубины к диаметру озера) - 0.0015.
Геологическое строение бассейна Ладожского озера оказывает большое влияние на особенности его подводного и надводного рельефа [8]. В четвертичное время в этой зоне происходили уникальные процессы развития материкового оледенения. На завершающих этапах оледенения материковый лёд взаимодействовал с пресноводными (приледниковыми) бассейнами, что приводило к перестройке рельефа и осадочного покрова, включая появление новых формирований специфического состава и строения [4]. Соответственно рельеф дна Ладожского озера обладает
характерными особенностями, свойственными областям, испытывающим воздействие покровного оледенения. К этим особенностям можно отнести широкое развитие интенсивно, но неглубоко расчлененных поверхностей на мелководных участках, наличие аккумулятивных поверхностей в крупных понижениях рельефа дна, малый размах относительных превышений и пологие углы склонов, интенсивное развитие процессов абра-зионно-аккумулятивного выравнивания.
До настоящего времени количественная характеристика распределения глубин, а тем более уклонов дна Ладожского озера была достаточно ограниченной, что и сдерживало развитие как лимнологических, так и геоморфологических исследований пространственной структуры подводного рельефа.
Цель настоящей работы - уточнение морфо-метрических характеристик Ладожского озера на основе расширенной базы данных по глубинам озера, а также анализ пространственной структуры распределения глубин и уклонов в различных лимнических районах.
Исходные данные и методика. Цифровые модели рельефа водосбора Ладожского озера и подводного рельефа Ладожского и Онежского озер (рис. 1) созданы несколько лет назад на основе крупномасштабных карт [9-13]. Характеристика методических приёмов создания батиметрических моделей уже описана в указанных работах. В качестве основной программы создания модели рельефа и его анализа была использована программа SURFER. К настоящему времени количество базовых точек с глубинами озера, используемых для построения модели Ладожского озера по сравнению с предыдущей версией, было увеличено на 24.4%. Среднее расстояние между ближайшими точками составляет 882 метра. Степень насыщенности, площадь, на которую приходится не менее одной точки, составляет 0.5 км2, а пространственное разрешение стало более детальным (шаг сетки 0.5 х 0.5 км). В качестве основного метода интерполирования глубин морфометрической модели озера выбран метод кригинга. Было проведено нахождение оптимального шага эквидистантной сетки и радиуса интерполирования - максимального горизонтального расстояния, на котором учитываются базовые точки. Для шага интерполирования были выбраны 0.2, 0.5, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0 и 2.15 км (предложено программой), для радиуса интерполирования - 2, 5, 8, 10, 15, 20 и 174 км (предложено программой). 49 вычислений площади, объёма и ошибок интерполирования с различными сочетаниями параметров, включая и те, которые про-
Рис. 1. Подводный рельеф Ладожского озера и рельеф его частного водосбора.
грамма предложила по умолчанию, позволили найти их оптимальные величины.
Оптимальными параметрами были приняты параметры, при которых площадь акватории озера соответствует площади, определённой картографическими методами, с минимальной средней ошибкой интерполирования (в нашем случае 0.05 м) и наименьшей остаточной дисперсией. Таким образом, для используемого в построении морфометрической модели количества базовых точек (9855) оптимальными параметрами интерполирования были приняты: шаг - 0.5 км, радиус интерполирования - 8 км.
Общее количество точек эквидистантной сетки, используемых для вычисления морфометри-ческих характеристик, составило 70 190.
Результаты. Цифровая модель позволила определить различные статистические характеристики глубин и уклонов озера, которые крайне трудно получить картографическими методами (таблица). Важной характеристикой озера является гистограмма глубин дна Ладожского озера, описывающая форму котловины и функцию распределения. Она имеет две моды, что свидетельствует о преобладании двух характерных диапазонов глубин. Это 0-18 м - мелководная зона и 50-70 м - зона озерного уступа (рис. 2).
Впервые были вычислены величины наибольшей крутизны склонов у в каждом узле цифровой модели Ладожского озера и его водосбора. Средний уклон дна Ладожского озера (0.49° при ск.кв. откл. 0.76°) сравним со средним уклоном водосбора самого озера, для которого осредненный
CT-,
Таблица. Статистические характеристики глубин и уклонов дна лимнических районов и всего Ладожского озера
Район Кол-во точек Площадь, км2 Объём, км3 Характеристики Среднее Медиана Диапазон Н (м) и У (град) Ср. квд. откл. cv Коэф. асимметрии Коэф. эксцесса Функция распредел.
I 21 048 5465.0 46.7 Н, м 8.8 8.9 0.0-18 5.06 0.58 0.0 -1.16 равномерн.
у, град 0.22 0.09 0.0-6.8 0.40 1.82 4.82 32.26 х2
II 18 513 4631.3 153.6 Н, м 33.2 32.7 18-50 9.46 0.28 0.1 -1.21 равномерн.
у, град 0.44 0.17 0.0-11.0 0.73 1.65 3.60 17.77 х2
III 14 689 3693.4 221.1 Н, м 59.9 60.0 50-70 5.40 0.09 0.0 -1.06 равномерн.
у, град 0.44 0.24 0.0-8.5 0.66 1.50 4.11 22.60 х2
IY 7628 1910.0 158.4 Н, м 82.9 81.7 70-100 8.84 0.11 0.32 -1.09 логнорм.
у, град 0.81 0.42 0.0-11.1 1.01 1.25 2.84 11.42 х2
V 5969 1487.9 174.7 Н, м 117.3 116.6 100-140 11.41 0.10 0.23 -1.09 х2
у, град 0.99 0.65 0.0-10.2 1.02 1.03 2.52 8.62 логнорм.
VI 2343 577.8 93.3 Н, м 161.9 157.2 140-230 17.11 0.10 0.87 0.02 х2
у, град 1.16 0.88 0.0-11.8 1.01 0.87 2.86 15.07 логнорм.
70 190 17765.4 847.8 Н, м 48.3 41.6 0.0-230 39.9 0.82 1.06 -22.92 -
все озеро у, град 0.49 0.20 0.0-11.8 0.76 1.55 3.62 -15.11 х2
К
со И И О
н К
¡¡Q £
О и ч К te
ч и
0 ч
1 ©
К
л и о
X
£ м
к *
о
м о
наибольший наклон земной поверхности составил 0.45° при максимальном значении 3.9°. Безусловно, величины крутизны склонов водосбора могут быть несколько занижены из-за базового шага сетки 1 км.
Характер расчлененности территории - весьма информативный признак особенностей рельефа. Вертикальное расчлененность подводного рельефа Ладожского озера больше, чем аналогичная величина его частного водосбора [13].
Гистограмма максимальных уклонов подводного рельефа озер мономодальна и асимметрична со значительным смещением максимума в область малых величин. Функция распределения уклонов в озере подчиняется х2 - распределению.
Объем озера вычислялся интегрированием с помощью метода трапеции и метода Симпсона. Точность интегрирования составляла 0.1 км3. Величина объёма озера по сравнению с предыдущими вычислениями [9] увеличилась на 1.3% и стала 847.8 ± 2.4 км3, средняя глубина озера 47.8 м.
В крупных озерах в силу больших размеров и разнообразия глубин необходимо проводить районирование их акватории, выделяя районы, где лимнические процессы имеют одинаковую направленность. Несмотря на относительно небольшие максимальные глубины Ладожского озера (до 230 м), морфология дна довольно разнообразна. В его пределах можно выделить несколько районов, разл
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.