УДК 556.51.528.9
Опыт гидрографического и ландшафтного описания речного бассейна на основе ГИС- и геоданных
Б. И. Гарцман*
Описание речного бассейна представляет собой обязательный раздел любой проектной или научно-прикладной разработки по гидрологии, гидротехнике и смежным проблемным областям. Современные методы анализа территории, в том числе описание речного бассейна, по необходимости должны основываться на использовании ГИС-технологий и обширного массива геоданных. Особенно это касается широко доступных в настоящее время цифровых моделей рельефа среднего масштаба, а также слоев, содержащих климатическую и ландшафтную информацию. В совокупности это дает принципиально новую технологическую основу анализа, многократно увеличивает возможности получения подробной количественной информации по морфометрии и ландшафтному строению бассейна, обеспечивает техническую возможность использовать достижения структурно-гидрографического анализа речных систем и ландшафтно-гидрологического под-хо да.
Введение
Описание речного бассейна представляет собой обязательный раздел любой проектной или научно-прикладной разработки по гидрологии, гидротехнике и смежным проблемным областям. Его содержание регламентируется рядом государственных нормативных документов, таких как СП 11-103-97 [4], а также ведомственными руководствами Росгидромета [7] и др. Однако фактически стандарт описания рек задается содержанием справочника "Ресурсы поверхностных вод СССР", издание которого относится к 1960—1970-м годам. Несмотря на существенно устаревшую методическую базу и потерю актуальности информационного наполнения, из-за отсутствия адекватной замены этот справочник остается основным пособием российского инженера-гидролога.
В разных региональных выпусках справочника разделы "Описание рек" существенно различаются по статусу, объему и наполнению. Например, в томе, относящемся к Приморью [11], "Описание рек" представляет особую главу, в которой даются подробные индивидуальные описания 92 рек включая характеристику природных условий бассейнов (геология, рельеф, климат, растительность, почвы и др.), гидрографический очерк са-
* Тихоокеанский институт географии Дальневосточного отделения Российской академии наук; e-mail: Gartsman@inbox.ru.
мой реки, достаточно полное изложение гидрологического режима включая сводные и расчетные характеристики по данным многолетних наблюдений. В других томах, однако, индивидуальные описания рек могут вообще отсутствовать [10] либо быть представлены в виде только гидрографических описаний немногочисленных главных рек [12].
В любом случае традиционные описания рек и их бассейнов являются по преимуществу качественными. В прикладном аспекте они ориентированы на экспертный подбор бассейнов-аналогов, выполняемый на основе преимущественно качественных соображений. Традиционно используемый набор основных гидрографических характеристик бассейнов (размеры, средняя высота и уклон, коэффициенты лесистости, озерности и пр.) беден и малоинформативен, особенно когда речь идет о крупных бассейнах, неоднородных по условиям формирования стока.
Современные методы анализа территории, в том числе описания речного бассейна, по необходимости должны основываться на использовании ГИС-технологий и обширного массива геоданных. Особенно это касается широко доступных в настоящее время цифровых моделей рельефа (ЦМР) среднего масштаба, а также слоев, содержащих климатическую и ландшафтную информацию. В совокупности это дает принципиально новую технологическую основу анализа, многократно увеличивает возможность получения подробной количественной информации по морфометрии и ландшафтному строению бассейна, дает техническую возможность использовать достижения структурно-гидрографического анализа речных систем и ландшафтно-гидрологического подхода [1—3, 5].
В настоящей статье представлена попытка создания рациональной методологии описания крупного речного бассейна с целью систематизации информации для использования при разработке методов кратко- и долгосрочного гидрологического прогнозирования. Исследование выполнено в рамках работы по проектам ФЦП "Развитие водохозяйственного комплекса Российской Федерации в 2012—2020 годах".
Объекты исследования, данные и методы их обработки
Исследование проводилось на примере бассейна р. Бурея — левого притока Амура, который впадает в него на расстоянии 1666 км от устья. Длина реки от истока Правой Буреи 739 км, площадь бассейна 70,7 тыс. км2. Бассейн ограничен гребнями хребтов — Малого Хингана, Буреинского, Дуссе-Алинь, Эзоп и Турана. Водоразделы образуют почти замкнутый кон тур оваль ной формы, вы тя нутый в се ве ро-вос точ ном направле нии, в средней его части находится Верхне-Буреинская котловина. Ниже с. Пай-кан Бурея выходит из гор и до устья течет в пределах предгорий и Зейско-Буреинской равнины. Максимальная отметка в бассейне реки составляет 2325 м, минимальная (в месте впадения в Амур) — 95 м. Средняя густота речной сети 0,68 км/км2.
Хребты бассейна Буреи сложены в основном гранитами, вулканогенными и метаморфическими породами, кристаллическими сланцами. Из почв преобладают горно-таежные (подзолистые и кислые неоподзоленные), расположенные в северной горной части (более 50% площади). Для Верхне-
Буреинской котловины и Зейско-Буреииской равнины характерны дерново-подзолистые почвы. Встречаются на водосборе и незначительные участки горно-тундровых почв (хребты Эзоп, Дуссе-Алинь), а также аллюви -альные почвы (пойменные, долина р. Бурея).
Наиболее высокие части гор покрыты зарослями кедрового стланика или заняты мохово-лишайниковыми тундрами. Южнее располагаются среднетаежные лиственничные леса, сменяющиеся постепенно лиственничными южнотаежными лесами. В Верхне-Буреинской котловине преобладают лиственничные мари. Граница сплошной многолетней мерзлоты проходит по правобережью р. Ниман и охватывает водосборы ее притоков (Акишмы, Олги) и частично верховья Правой Буреи. Островная мерзлота распространена на всей территории горной части бассейна.
В самой южной части бассейна, на Зейско-Буреинской равнине, развиты лу го вые рас ти тель ные со об щес тва и со отве тству ю щие почвы. Здесь тер ри то рия силь но изме не на хо зя йствен ной де я тель нос тью, в результате чего значительные площади полностью свободны от древесной растительности. Многолетняя мерзлота на территории равнины отсутствует [10].
Под бор ка ге одан ных, ис поль зо ван ных при опи са нии бас сей на, включает следующие слои:
— растровая мозаика листов топографической карты масштаба 1 : 200 000 для Дальнего Востока России;
— цифровая модель рельефа на основе данных SRTM;
— векторная геологическая карта бассейна Амура масштаба 1 : 2 500 000;
— векторная карта растительности бассейна Амура масштаба 1 : 2 500 000;
— векторная карта почв бассейна Амура масштаба 1 : 2 500 000;
— векторная карта типов землепользования бассейна Амура масштаба
1 : 2 500 000.
Топографическая основа для работы создана из листов карты масштаба 1 : 200 000, которые были отсканированы и привязаны в географической системе координат. ЦМР-покрытие территории было создано на основе растровых данных SRTM (http://srtm.csi.cgiar.org/) с разрешением 3 арк. с, что примерно эквивалентно масштабу топографической карты 1 : 100 000— 200 000. Размер пиксела растра составляет примерно 90 х 75 м на широте устья Буреи. Фрагмент покрытия SRTM, охватывающий бассейн р. Бурея, был перепроектирован в эквидистантную проекцию Albers_Equal_Area_ Conic и пересчитан в покрытие с квадратным пикселом размера 75 х 75 м. Векторные тематические карты масштаба 1 : 2 500 000, перечисленные выше, подготовлены и хранятся в Информационно-картографическом центре ТИГ ДВО РАН.
Обработка цифровых пространственных данных выполнялась с помощью пакета ArcMap 10 на основе его стандартных функций и вычислительного инструментария, что особенно важно. Очевидно, что наличие циф ро вой ин форма ции в виде электро нных сло ев по зволя ет вы пол нять в при нци пе лю бую их об ра бот ку с помощью спе ци аль но раз ра ботан ных программ, для чего могут быть использованы как встроенные в ArcMap, так и независимые инструменты программирования. Однако разработка таких программных средств представляет собой самостоятельную и очень объемную задачу, требующую участия программистов высокой квалифика-
ции и тщательной предварительной проработки адекватных (с точки зрения специалиста-гидролога) алгоритмов.
В данном исследовании автор целенаправленно ограничился обработкой геоданных, выполняемой стандартными инструментами ГИС без использования программирования, т. е. такими действиями, которые могут быть выполнены любым пользователем ЛгсМар 10 за разумное время, измеряемое днями (неделями). Основной целью было наметить направления разработки современной методологии структурно-гидрографического и ландшафтно-гидрологического анализа речного бассейна, включая сово-куп ность ал го рит мов, кото рые затем мо гут быть реали зо ва ны в виде специализированного программного комплекса.
Предварительные этапы анализа рельефа речного бассейна
На основе исходной цифровой модели рельефа (растрового слоя высоты земной поверхности) рассчитан растровый слой уклонов (%, т. е. в м/100 м, рис. 1а). Эти два слоя в совокупности дают информацию о важнейших геоморфологических характеристиках рельефа бассейна. Затем в соответствии со стандартной ГИС-процедурой выполнено выделение речной сети по пороговому значению площади водосбора 1 км1. Ранее выполненные
Рис. 1. Результаты обработки цифровой модели рельефа бассейна Буреи.
а) уклоны поверхности (диапазон 0—270 м/ 100 м); б) речная сеть, классифицированная по Хортону — Стралеру (от 4-го до 8-го порядка); в) величина вреза бассейна, оцениваемая разностью максимальной и минимальной высоты частных водосборов (диапазон 91—1914 м).
исследования [6, 7] показали, что такое значение пороговой площади является адекватным в данных условиях. Это подтверждается и тем, что полученная в результате оценка средней густоты речной сети равна 0,654 км/км2 и отличается от справочной характеристики дл
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.