26. Кузнецова Ю.С., Беляев В.Р., Маркелов М.В., Иванова Н.Н. Анализ пространственно-временной неоднородности эрозионно-аккумулятивных процессов на пахотном склоне (часть 1) // Геоморфология. 2007. № 1. С. 71-84.
27. Кузнецова Ю.С., Беляев В.Р., Маркелов М.В., Иванова Н.Н. Анализ пространственно-временной неоднородности эрозионно-аккумулятивных процессов на пахотном склоне (часть 2) // Геоморфология. 2007. № 2. С. 60-69.
28. Ritchie J.C., McHenry J.R. Application of radioactive fallout cesium-137 for measuring soil erosion and sediment accumulation rates and patterns / J. Environ. Qual. 1990. V. 19. Р. 215-233.
29. Belyaev V.R., Wallbrink P.J., Golosov V.N. et al. A comparison of methods for evaluating soil redistribution in the severely eroded Stavropol region, southern European Russia // Geomorphology. 2005. V. 65. P. 173-193.
30. Литвин Л.Ф., Голосов В.Н., Добровольская Н.Г. и др. Перераспределение 137Cs процессами водной эрозии почв // Водные ресурсы. 1996. Т. 23. № 3. С. 314-319.
31. Иванова Н.Н., Голосов В.Н., Маркелов М.В. Сопоставление методов оценки интенсивности эрозионно-аккумулятивных процессов на обрабатываемых склонах // Почвоведение. 2000. № 7. С. 898-906.
32. Заславский М.Н. Эрозия почв. М.: Мысль, 1979. 246 с.
33. Кузнецова Ю.С., Беляев В.Р., Голосов В.Н. Влияние детальности исходной информации о рельефе на точность расчетов темпов смыва почв со склонов // Геоморфология. 2011. № 4. С. 46-57.
Московский государственный университет Поступила в редакцию
Географический факультет, 27.01.2012
Лаборатория наук о климате и окружающей среде НЦНИ Франции, Жив Сюр Иветт
SEDIMENT DELIVERY FROM INTERFLUVE SLOPES INTO RIVER VALLEY V.P. BONDAREV, V.R. BELYAEV, N.N. IVANOVA, O. EVRARD
Summary
A complex approach for estimation of sediment delivery ratios is proposed. The method includes morphometric analysis of drainage basins, mathematical modelling and application of radioactive tracer. The approach effectiveness is demonstrated by analysis of drainage basin slopes of the Lokna River (Central Part of the European Russia). Morphometric data are collected, LS-factor for cultivated hillslopes is calculated and the value of potential sediment delivery from hillslopes to river valley under conditions of no-crop fallow and typical crop rotation is estimated. Morphometric mapping of the drainage basin slopes allowed determining areas with high and very high erosion potential. Application of radioactive tracer made it possible to validate the model output and formulate some ways to improve the approach.
УДК 551.4.013
© 2014 г. К.А. МАЛЬЦЕВ, О.П. ЕРМОЛАЕВ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ МОДЕЛЕЙ РЕЛЬЕФА ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПОСТРОЕНИЯ ГРАНИЦ ВОДОСБОРОВ1
Введение
Цифровые модели рельефа (ЦМР), в основе которых лежат регулярные координатные сетки, в настоящее время широко используются специалистами, работающими в самых разных направлениях географии и геоморфологии. Востребованность данных материалов во многом определяется все большей доступностью данных моделей, глобальностью охвата территории Земли, возможностью использовать различные уровни генерализации и оперативностью решения с их помощью различных задач, требующих количественного подхода.
1 Работа выполнена при финансовой поддержке Всероссийской общественной организации "Русское географическое общество" (проект № 13-05-41126-а) и РФФИ (проект № 14-05-00503).
Одной из таких задач, которую можно решать с использованием географических информационных систем (ГИС) и ЦМР, является автоматизирование построения границ водосборов (постоянных и временных водотоков). Важность ее решения определяется многообразием научных и прикладных задач, решаемых с помощью бассейнового подхода, роль которого в настоящее время только возрастает. Обусловлено это, в первую очередь, возможностью использования современных информационных технологий, доступностью цифрового рельефа и базовых гидрометеорологических параметров для всей территории планеты. Все это дает возможность исследовать природные процессы и явления на различных уровнях генерализации с использованием ГИС. Содержательной основой любой ГИС являются операционно-территориальные единицы (ОТЕ) пространственного анализа. При бассейновом подходе в качестве ОТЕ, разумеется, выступает бассейновая геосистема различного порядка. Порядок водосбора задает требуемый уровень генерализации, а также задает требования к детальности и сомасштабности интегрируемых в создаваемую ГИС данных. Применение бассейнового подхода по вполне понятным причинам затруднено лишь в обширных равнинных районах полупустынь и пустынь умеренного и тропического поясов Земли, а также в областях покровного оледенения.
Для гидролого-геоморфологического моделирования, решения прогнозных задач изменения твердого и жидкого стока рек необходимо создание единой геопространственной базы данных на бассейны рек России. В первую очередь, безусловно, требуется создание векторной карты границ речных систем разного порядка. "Ручными" технологиями в силу обширности территории России, огромного количества водотоков и информационной разобщенности ведомств, занимающихся водными ресурсами, подобную карту сделать так и не удалось. Эта задача может быть решена только при использовании современных информационных технологий.
В настоящее время в Казанском федеральном университете проводятся исследования, которые являются продолжением работ по изучению глобального стока наносов, начатых еще в середине 1970-х гг. А.П. Дедковым и В.И. Мозжериным [1]. Главная цель этих работ на текущем этапе заключается в создании специализированной ГИС глобального уровня "Сток взвешенных наносов в речных бассейнах Земли" для количественной оценки и пространственно-временного геоморфологического анализа систем эрозии и экзогенного рельефообразования на Земле [2].
Постановка задачи
Определение границ водосборов рек для последующей привязки к ним данных, полученных с режимной сети, лучше всего вести от точек расположения гидрографических постов. Одним из главных критериев при выборе ЦМР для построения границ водосборов от гидрографических постов рек России является отсутствие артефакт-ных западин в модели рельефа. Поэтому необходимо использовать такие ЦМР, в которых присутствуют лишь реально существующие на местности отрицательные формы рельефа.
В то же время исследователи часто лишены возможности выбора ЦМР, отвечающих требованиям решаемых ими задач. Реально приходится использовать те модели, к которым есть открытый доступ, а не те, которые действительно нужны. В особенности это актуально, когда речь идет об исследовании больших территорий (континентов или их частей). Так, например, в настоящее время в общем доступе в сети Интернет существует лишь две модели рельефа, представляющие рельеф суши всех областей Земли и соответствующие масштабу нашего исследования: "GTOPO30" (более детальная) и "ЕТОРО5" (менее детальная). Кроме них существуют также модель "SRTM", которая на порядок более детальная, нежели модель "GTOPO30", а также модель ASTER GDEM2, которая еще детальнее модели "SRTM". Однако существенным недостатком модели "SRTM" с учетом географического положения России является отображение рельефа суши Земли в диапазоне от 60° с. ш. до 58° ю. ш. Модели ASTER GDEM2 при-
сущи свои недостатки. Во-первых, она имеет слишком высокое разрешение, что очень сильно увеличивает расчетное время, делая невозможным определение границ больших водосборов в автоматическом режиме. Во-вторых, в модели ASTER GDEM2 есть существенные погрешности в определении отметок высот на территориях, покрытых лесами и населенными пунктами. Таким образом, из перечисленных четырех моделей использование модели "GT0P030" для создания границ водосборов речной сети России, на наш взгляд, является наиболее оправданным как с точки зрения глобального покрытия территории, так и принятого уровня генерализации.
В то же время эта модель также имеет свои недостатки. В частности, в ней присутствуют артефакты в виде отрицательных форм рельефа, которые являются ложными участками перехвата жидкого и твердого стока, а, следовательно, существенно искажают конфигурацию и площади водосборов. Поэтому при автоматизированной технологии выделения границ бассейнов рек такие объекты необходимо идентифицировать и удалить [3-5]. С подобной проблемой сталкивались многие исследователи, в частности, сотрудники Кубанского и Пермского госуниверситетов [6, 7]. Наиболее простой и быстрый способ устранения артефактов западин - удаление всех западин в рельефе (реальных и ошибочных). Здесь стоит особо оговориться, что удаление локальных западин в модели рельефа гидрологически присоединяет последние к территории водосбора, внутри которого они находятся, тем самым, увеличивая его площадь.
Для решения задачи тотального удаления локальных западин был предложен ряд методик. Их можно разбить на несколько групп: 1) алгоритмы заполнения западин [8-11]; 2) алгоритмы разрушения границ депрессий в направлении линий поверхностного стока [12-15], 3) комбинированные методики, сочетающие два выше перечисленных алгоритма [16, 17].
Тотальное удаление депрессий оправдано в разных случаях, и одним из них является большее количество "ложных" депрессий модели по сравнению с реально существующими [18]. Например, часть ЦМР "GT0P030", представляющая рельеф Европейской территории России, в основном соответствует этому условию. Поэтому тотальное удаление локальных западин тем или иным стандартным методом на этапе подготовки рельефа здесь оправданно. Ошибки определения границ водосборов по модели, подготовленной таким способом для данного региона России, не превышают в среднем 15%. Необходимо уточнить, что для оценки ошибок автоматизированного выделения границ водосборов использовались данные по площадям водосборов, приведенные в опубликованных материалах [19-21]. Такой процент ошибок, на наш взгляд, - достаточно хороший результат, поскольку границы построенных в автоматическом режиме водосборов хорошо визуально совпадают с границами водосборов, построенных вручную по картам м-ба 1:100 000 (р
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.