ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2015, том 42, № 5, с. 467-475
ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ И РЕЖИМ ВОДНЫХ ОБЪЕКТОВ
УДК 556.555.4
ОЗЕРО ИЛЬМЕНЬ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ОСНОВЕ ЦИФРОВОЙ МОДЕЛИ
© 2015 г. М. А. Науменко, С. Г. Каретников, В. В. Гузиватый, А. М. Крючков, Ш. Р. Поздняков
Институт озероведения РАН 196105 Санкт-Петербург, ул. Севастьянова, 9 E-mail: m.naumenko@limno.org.ru Поступила в редакцию 30.01.2014 г.
На основе измерений глубин оз. Ильмень современным эхолотом создана цифровая модель дна с пространственным разрешением 100 м. Использована спутниковая информация для определения береговой линии при различных уровнях озера. Рассчитаны основные морфометрические характеристики озера, в том числе ранее не определявшиеся. Впервые построены гистограммы и пространственные автокорреляционные функции распределения глубин и уклонов дна озера. Цифровая морфометрическая модель не только может быть использована для изучения физико-географических характеристик и распределения глубин оз. Ильмень, но и необходима для климатических, гидрологических и палеогеографических исследований.
Ключевые слова: морфометрические характеристики озера, цифровая модель, озеро Ильмень.
Б01: 10.7868/80321059615050120
Определение основных морфометрических характеристик большинства озер Мира традиционно основано на картографических методах с использованием карт различного масштаба. В настоящее время все большее значение приобретают цифровые модели подводного рельефа озер. Построение морфометрических моделей базируется на измеренных глубинах или реальных батиметрических картах и на последующем создании цифровых массивов данных о глубинах озера в географически привязанных равноотстоящих узлах. Цифровая информация о распределении глубин позволяет строить характерные разрезы, вычислять площади, занимаемые положительными и отрицательными формами рельефа, уклоны, гистограммы и пространственные автокорреляционные функции и т.п. Такой подход к анализу морфометрических характеристик озер существенно расширяет возможности изучения водных объектов. Важный аспект анализа цифровой информации — визуализация и удобство сравнения полученных изображений с другими с помощью стандартных пакетов компьютерных программ [1, 13]. В настоящее время созданы и успешно используются морфометрические цифровые модели Ладожского и Онежского озер [7, 8, 9], оз. Байкал и Великих американских озер. Цель на-
стоящей работы — новое определение морфометрических характеристик оз. Ильмень на основе разработанной цифровой модели распределения глубин озера (ЦМГ), в том числе ранее неоцени-ваемых параметров, таких как функции распределения глубин и уклонов.
Ильмень входит в десятку самых больших по площади озер европейской части России. Площадь его сравнима с площадью оз. Белого (Вологодская область) и оз. Меларен (Швеция) и равняется ~1 тыс. км2 при среднем стоянии уровня. Ильмень занимает центральное место в гидрографической сети бассейна р. Волхов. Своеобразие озера заключается в значительном изменении площади зеркала в течение года [14]. Ильмень питается в основном поверхностным стоком, пятьдесят две реки приносят ~96% воды в течение года, и лишь 4% приходится на осадки. Приильмен-ская низменность, где расположено озеро, отличается очень плоским рельефом и большой заболоченностью. Реки, впадающие в это озеро, имеют неглубокие долины. Они относятся к типично равнинным со смешанным питанием (атмосферные осадки и грунтово-напорные воды). Форма рельефа земной поверхности во многом определяется его происхождением. Озеро находится на месте неглубокого палеоводоема, грани-
О И
о о
и
Я
<ч
о £
700
600
500
400
300
200
100
VI VII VIII IX
XI XII
Месяцы
Рис. 1. Статистики значений уровня воды по месяцам, построенные по данным водомерного поста д. Войцы за период 1989—2009 гг.: 1 — минимальное и максимальное, 2 — 25—75%, 3 — среднее за месяц, 4 — медианное, 5 — средний уровень мая 2012 г., 6 — уровень воды 18.1 м БС.
цы которого простирались до нынешних водоразделов Волховского и Невского бассейнов [12].
В 2005 г. были созданы цифровые модели общего и частных водосборов Ладожского оз., в том числе Ильмень-Волховского водосбора [10]. Средняя высота Ильмень-Волховского водосбора равняется 100.8 м при незначительном уклоне территории (0.32°). Внутригодовые колебания размеров акватории озера связаны с большим стоком с водосбора, площадь которого превышает более чем в 60 раз площадь озера.
Среднегодовой сток колеблется в пределах 6— 10 л/с км2, причем большее количество стока приурочено к восточной части водосбора, расположенной на Валдайской возвышенности [11]. Сезонное распределение стока рек неравномерно, в период весеннего половодья сток резко уве-
личивается и составляет более одной трети годового. Приток в озеро превышает объем озера более чем в 4 раза. Мелководность р. Волхов, вытекающей из озера, и ограниченная пропускная способность русла реки приводят к длительному половодью, растягивающемуся на 2—3 мес. В настоящее время измерения уровня проводятся на четырех водомерных постах. На рис. 1 приведены статистические характеристики годового хода изменений уровня оз. Ильмень за двадцатилетний период по водомерному посту в д. Войцы на основе ежедневных измерений. Общее количество измерений уровня воды, используемое для анализа, составляло более 7 тысяч. При 5%-ном уровне значимости ошибка среднего составляла ~2 см.
Очевидно, что амплитуды и дисперсии среднемесячного уровня значительны, особенно в пери-
Рис. 2. Распределение глубин, приведенных на навигационной карте (а), и выполненные эхолотные измерения в мае 2012 г. (б) на акватории оз. Ильмень. 1 — водомерные посты.
од половодья. Наибольший диапазон изменчивости уровня характерен для апреля (>5.5 м), абсолютный максимум — для мая, уровень постепенно понижается к сентябрю—октябрю. Возможно повышение уровня осенью в октябре—ноябре за счет осадков.
В 2000 г. был осуществлен проект по мониторингу оз. Ильмень и его притоков совместно со шведскими экологами [2], однако для продолжения исследований требовалась цифровая модель дна озера.
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Наиболее интенсивное исследование озера и его водосборной территории происходило в период проектирования Волховской гидроэлектростанции в 1930-е гг. [6]. Известно, что после надстройки в 1929 г. плотины уровень Ильменя поднялся на 70—90 см, а продолжительность затопления поймы озера увеличилась почти на месяц [3]. Гидрографические работы выполнялись и в 1971—1985 гг. Навигационная карта озера, построенная на основе этих данных и более поздних дополнений, в масштабе 1 : 75000 была напечатана в 1987 г. Глубины озера отсчитываются от уреза воды с абсолютной отметкой 18.10 м Балтийской Системы. На карте площадь озера равняется 1100 км2. На этой карте проведены изобаты 2, 3 и 3.4 м на основной акватории озера. На боль-
ших заливах (Рубельском, Синецком и Аркадском) изобаты не были проведены.
В мае 2012 г. Институтом озероведения РАН была выполнена съемка глубин озера для расчета основных морфометрических характеристик озера и построения его цифровой морфометриче-ской модели. Для проведения промерных работ было спланировано 48 параллельных галсов по направлению север—юг с расстоянием между ними 1 км; кроме того, осуществлялись промерные работы при переходах между галсами и в устьях рек (рис. 2б). Для проведения съемки был выбран период наивысшего стояния уровня — значительно выше среднего многолетнего уровня. Глубина озера измерялась двумя эхолотами — HDS-7 и LMS-520 (фирма Lowrance) с точностью определения глубины ±1 см и определения координат ±2 м. Для расчета абсолютной отметки дна учитывались среднесуточный уровень водной поверхности, измеренная эхолотом глубина места и глубина погружения излучателя эхолота. В общей сложности было получено 476686 значений глубин оз. Ильмень, причем повторение измерений в определенных точках показало, что различия не превышают 10 см. Средняя минимальная разница между измерениями составила 3.5 м.
Максимальные обнаруженные при промерах глубины (до 12.7 м) — в устье р. Ловати. Кроме того, имеется несколько прокопанных при добыче строительного песка понижений глубиной до 8 м вдоль северо-западного берега. Следует подчерк-
Таблица 1. Даты снимков со спутников LANDSAT-5, 7 и соответствующие отметки уровня воды по в/п Войцы
Дата Отметка уровня воды, м БС
21.08.2002 17.1
06.08.1999 18.0
19.08.1995 17.57
09.08.2006 18.16
18.09.2003 18.55
19.07.2010 19.00
10.05.2002 19.97
07.05.2001 20.63
11.05.2011 21.45
нуть, что 16.4% исходных данных получены выше отметки 18.1 м, что позволило получить информацию о распределении высот в районе уреза воды оз. Ильмень.
Для характеристики рельефа береговой зоны озера была использована информация со спутников LANDSAT-5, 7 [16]. Даты спутниковых съемок для определения береговой линии в период половодья при различных абсолютных отметках уровней воды приведены в табл. 1. Снимки в ближней инфракрасной зоне (1.551.75 мкм) с пространственным разрешением 30 м позволяют отчетливо выделять изображения водных объектов [5].
Географическая трансформация спутниковой информации была проведена по программе ВЕАМ-4.6.1 [15]. Область яркости, соответствующая наименьшему числу пикселей на гистограмме яркостей, принималась за раздел вода—суша. На снимке, кроме береговой линии озера, отчетливо обнаруживаются затопленная растительность у уреза воды и водоемы, не соединенные с акваторией озера. Поэтому из всех возможных береговых линий, соответствующих принятой яркости, выбиралась та, длина которой была максимальной. Определенной таким образом береговой линии оз. Ильмень придавалась величина абсолютной отметки уровня воды на дату спутниковой съемки, что позволило добавить к измеренным значениям глубин еще 316345 значений высоты выше уреза воды. Обработанные указанным выше способом снимки позволили определить территории, наиболее подверженные подтопле-
нию при подъеме уровня воды. Высокие западные берега практически не подтопляются, а подвергаются водной эрозии. Низменные устья рек Ловать и Мста могут быть затоплен
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.