CC BY
74
УДК 504.453
Е.С. Радчикова
Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова, [email protected]
ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОРИИ ТРАНСФОРМАЦИИ ГИДРОГРАФИЧЕСКОЙ СЕТИ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ НА ПРИМЕРЕ Г. МИНСКА
В статье рассматривается антропогенная трансформация речной сети города Минска на протяжении истории его развития. Для анализа изменений с помощью исторических источников и ГИС-моделирования была реконструирована историческая речная сеть, создана карта русловых процессов. Охарактеризована трансформация речной сети по периодам развития города.
Ключевые слова: гидрографическая сеть; моделирование водотоков; антропогенная трансформация водосборов; градостроительная история Минска; русловые процессы.
Введение
Исторически города возникали поблизости к водным объектам. Освоение и высокая техногенная нагрузка на городские территории вели к значительному преобразованию рельефа, и в том числе условий функционирования речной сети (Лихачёва, 2009, 2015).
Минск - город с почти тысячелетней историей. Он возник при впадении в реку Свислочь реки Немига, и его гидрографическая сеть была существенным образом изменена на протяжении его исторического развития в результате застройки и освоения территории.
Анализ исторических водотоков позволяет выявить места аккумуляции стока, важнейшие ложбины стока, временные и постоянные водотоки разной величины. От того, что сейчас расположено на ключевых участках дренажной и речной сети, зависят особенности формирования стока и его качественные характеристики, а значит - гидрологический режим сохраняющихся водных объектов и качество воды в них. Все это делает исследование истории трансформации речных систем и долинно-речных ландшафтов значимым для современного градостроительного планирования и экологического проектирования (Васильева, 2011; Яшков, 2008; Broadheada, 2013).
В основу исследования легло предположение, что гидрографическая и естественная дренажная сеть Минска были значительно преобразованы в результате градостроительной деятельности, что привело к изменению длин водотоков различного порядка, трансформации характера русловых процессов, и в итоге - к антропогенизации ландшафтов пойм и низких террас.
Для исследования трансформации речной сети г. Минска проведена реконструкция исторической
речной сети на основе ГИС-моделирования и анализа старых картографических источников. Осуществлено сравнение реконструированной сети с современной. Разработана карта естественных типов русловых процессов, присущих основным водотокам до антропогенного преобразования, а также выявлены главные тренды изменений. Описана трансформация долинно-речной сети Минска в связи с этапами освоения и градостроительного развития города по историческим периодам существования города.
Материалы и методы исследования
Территория исследования - столица Беларуси - г. Минск в его современных границах, малые реки рассматриваются вместе с участками, выходящими за пределы городской черты.
Для выявления трансформации речной сети были созданы карты исторической гидрографической сети Минска, отражающие состояние водотоков до их трансформации, связанной с развитием города. Было использована два метода реконструкции: ГИС-моделирование и истори-ко-картографический метод.
ГИС-моделирование естественной дренажной сети и водосборов
ГИС-моделирование дренажной сети и водосборов проводилось с помощью программных пакетов ArcGIS 10.2 и Global Mapper 15.
Основой моделирования послужили данные по гипсометрии территории, полученные натурной съемкой и представляющие собой набор горизонталей, проведенных через 1 и 0.5 метра, и дополнительных горизонталей, проведенных через 0.5 и 0.25 метра. Для моделирования фрагменты горизонталей с бергштрихами, как правило, ограничивающие копани и насыпи, были удалены
44
российский журннл ииой экологии
для максимального приближения к первоначальному состоянию рельефа поверхности (Колбов-ский, 2010).
Построение бассейнов в среде Global Mapper 15 реализовано в модуле «Анализ топографии» с использованием инструмента «создать водораздел» (Generate Watershed), для работы которого устанавливаются параметры: глубина заполнения впадин (глубина эрозионного расчленения), число ячеек, генерирующих элементарный водоток, разрешение. Возможность подбора параметров создает вариативность результата моделирования и позволяет добиваться корректного результата после нескольких итераций.
Реконструкция гидрографической сети по историческим источникам
Был проведен исторический анализ изменения речной сети города. Для историко-карто-графического анализа было проведено изучение доступных картографических и литературных источников, связанных с историей и архитектурным развитием города (Снимки ..., 1964; Аэрофотоснимки ..., 1944; Карта ..., 1933). Наиболее информативные источники - карта 1933 г. и снимки 1944 и 1964 годов были аффиннизиро-ваны в ArcGIS 10.2 с применением инструмента Georeference.
Картографирование типов русловых процессов Совмещенный анализ карт реконструированных водотоков, исторических карт и аэрофотоснимков позволил определить и картографировать для отрезков течений основных рек естественные типы русловых процессов. Классифицировались пойменные поверхности, выделенные в программе ArcGIS.
На территории Минска было выявлено наличие четырех типов русловых процессов (Кондратьев, 1982; Колбовский, 2006):
1) Побочневое слабоизогнутое русло - тип в
Рис. 1. Реконструкция водотоков (исторический метод)
основном распространен в верхнем течении рек, где русла прямолинейны или слабоизогнуты;
2) Ограниченное меандрирование — тип выявлялся при наличии слабоизвилистого русла, осевая линия русла имела форму, близкую к синусоиде;
3) Свободное меандрирование - тип выделялся на участках с петлеобразными и подковобраз-ными излучинами в пределах низменных четко-видных расширений долин;
4) Незавершенное меандрирование. Тип выделялся на участках реки, где русло деформировалось по схеме свободного меандрирования, но цикл развития излучин прерывался из-за образования спрямляющей протоки, таким образом на отрезках долин сохраняется крыло излучины и короткая протока между ее шпорами.
Результаты и их обсуждение
В результате реконструкции и были созданы карты очертаний речной сети по старым картам (рис.1) и естественной речной сети по результатам ГИС-моделирования (рис. 2).
Наличие аэрофотоснимков 1944 и 1964 гг. позволило воссоздать характер меандрирования рек на значительных по протяженности отрезках.
Водотоки, полученные методом моделирования, оказались спрямленными и практически лишенными мелких излучин, что можно объяснить тем, что отметки современного рельефа в пределах низкой поймы, положенные в основу модели фиксируют уже сильно измененную поверхность. В тоже время метод ГИС-моделирования позволил фиксировать большее число элементов гидрографической сети - притоков 1 и 2-го порядка (по Страхлеру), и хотя оценить их функционально-морфологический тип очень сложно (истоки малых рек, постоянно периодически действующие ручьи, звенья ложбинно-лощинной
Рис. 2. Реконструкция водотоков (ГИС-моделирование)
Рис. 3. Типы исторических русловых процессов
сети с сезонным стоком), но в целом модель дает представление о естественной дренажной сети территории.
Обнаружено, что длина современных водотоков составляет 63% от исходной речной сети (85.22 км в сравнении с 135.22 км), из исследованных 15 объектов 8 фактически более не существует в прежнем качестве (сохранились в виде прудов и участков русла, современный наземный водоток составляет менее 10% длины).
Проведенная реконструкция позволила создать карту русловых процессов бытовых рек по классификации Попова Кондратьева, Снищен-ко на основных водных артериях города (рис. 3).
На данный момент русловые процессы - плановые и вертикальные деформации водотоков на территории города в значительной степени стабилизированы и несут искусственный характер: в связи с зарегулированностью стока рек они фактически «законсервированы». Спрямлены или превращены в водохранилища целые участки русел, пойменные бровки укреплены искусственными материалами, часть речных звеньев помещены в коллекторы.
Анализ изменений речной сети по историческим периодам
В результате анализа картографических и литературных источников были описаны изменения речной сети по историческим периодам развития города (Бон, 2013; История Минска ..., 1957; Король, 1966; Плужников, 1987).
Период I - 1067-1569, феодальные княжества и ВКЛ. В ХП-ХШ вв. город занимал около 18 га. Важнейшим сооружением был деревянный замок, вокруг которого располагался неукреплённый посад. Все сооружения города - деревянные, улицы грунтовые или с деревянным настилом. Особенностями землепользования являлись большое количество огородов, отсутствие специализированных зеленых зон, малое количество запечатанных территорий, слабо трансформированный сток, существование дренажных конструкций. Подвергались освоению реки Немига в нижнем течении, Свислочь в районе впадения в нее р. Немига, заболоченные участки. Основные антропогенные изменения русел и рельефа речных долин - создание рва, углубление Немиги, создание оборонительной насыпи, а также уплотнение грунта при строительстве зданий и дорог.
Период II, 1570-1793 гг., Речь Посполитая. К концу периода площадь города стала составлять около 130 га. Развивается Новое место, Татар-
российский журннл лриклнлной экологии
ское предместье. В начале XVII в. новые границы города были обнесены земляным валом с бастионами по линии современных улиц Романовская слобода, Городской вал, Я. Купалы, пр. Независимости. Вал также проходил у Татарского конца и за Троицкой горой на левом берегу Свислочи.
Особенностями землепользования являлись постепенное уплотнение построек, сокращение огородничества и садоводства, увеличение замощенных площадей. Воздействию подвергались реки Немига и Свислочь, а также участки болот на территории города. Остальные водные объекты находились вне городской черты, на некоторых из них располагались сельские населенные пункты и усадьбы.
Понижается уровень воды в реке Немига. Началось частичное укрепление берегов Свислочи деревом. Появляются мельницы и плотины, сильно изменяющие водный режим, провоцирующие застой и цветение воды. Одними из самых ранних и известных являлись Плебанские мельницы, которые стояли на обоих берегах Свислочи (ныне район парка имени Янки Купалы и сквера Марата Казея). Создан земляной вал, происходило уплотнение грунта при строительстве зданий и дорог на новых территориях освоения.
Период III, 1793-1917 гг., Российская империя. К 1850 г. площадь города составляет более 420 га, а к 1900 г. увеличивается до 1760 га. Население города с 1861 г. по 1917 г. возросло с 27 тыс. до 134.5 тыс. человек. Город активно расширяется и включает в себя сельские населенные пункты. Особенно развивается два направления: на юге его границы доходят до современного проспекта Жукова и ул. Денисовской, на северо-востоке - до ул. Сурганова. Развивается благоустройство города - в XIX в. улицы мостят брусчаткой, построен и развивается водопровод. Увеличивался процент замощенных площадей, появлялись первые запланированные зеленые зоны. К началу XX в. в городскую черту входят еще несколько ручьев, впадающих в Свислочь, и река Переспа. Воздействие на водные объекты усиливается. Продолжается укрепление берегов Свислочи деревом, однако большей частью берега не укреплены, нередки осыпи берегов. В связи с застройкой и изменением водного режима происходит постепенное обмеление рек и ручьев. В начале XIX в. было изменено русло Немиги в нижнем течении - она была перекрыта в районе Пертопавловской (Екатериненской) церкви дамбой, и воды Немиги, огибая справа церковь, потекли на север. На месте реки остался ручей. В конце XIX в. начали осушать Францисканское
болото - исток Немиги, что сказалось на водности реки. В 1911 г. около Минска, на Комаровском болоте была создана опытная станция по осушению и использованию болот. Река Пере спа в 1911-1915 гг. на протяжении 1.8 км была преобразована в магистральный канал-водоприемник.
Период IV, 1917-1945 гг., смена власти, СССР. Рост Минска ускоряется - к 1940 г. его площадь составляет почти 3000 га. Накануне войны в столице проживает более 250 тыс. человек. Город представляет собой крупный промышленный и транспортный узел, строительный комплекс, входит в число наиболее динамично растущих городов Советского Союза. Город расширяется равномерно, с выростами в тех же направлениях, что и в предыдущий период. В этот период значительное внимание уделялось благоустройству города. В мае 1930 г. была пущена в эксплуатацию общегородская сеть канализации, которая снизила нагрузку на водную систему города. В 1934 г. улицы и площади начали асфальтировать.
Реки Лошица и Слепня остаются на расстоянии от границы города, но прилегающие к ним территории активно включаются в хозяйственную деятельность. Входит в городскую черту р. Ботанический - приток Слепни, и р. Серебряный - приток Свислочи. В 1926 г. реку Немигу в нижнем течении заключили в коллектор. На Сви-слочи, с целью противостояния паводкам, перед войной построено Комсомольское озеро, образованное плотиной через р. Свислочь и искусственным котлованом. Водохранилище затопило часть заболоченных пустырей вдоль реки, другие незастроенные участки были превращены в парк. Постепенно пересыхает река Серебрянка. В 20-30-ые гг. активно проводятся работы по осушению Комаровского и Слепянского болот.
Период V, 1945-1990 гг., СССР, послевоенный период. В 1950 г. в Минске насчитывалось 273.6 тыс. жителей, в 1959 г. - 509.5 тысяч, в 1970 г. - 916.6, 1980 г. - 1 308,6. К 1950 году площадь города достигает почти 4000 га, к 1980 г. - более 12 тыс. га. Осваиваются территории между прошлыми клиньями разрастания. Образуются большие районы на западе и северо-западе, юго-востоке и юго-западе города.
Застройка уплотнялась, все больше земель становилось запечатанными искусственными покрытиями, непроницаемыми для инфильтрации и формирования естественного стока. В тоже время было организовано много зеленых зон, в особенности вдоль водно-зеленых коридоров. В границы города стали входить частично или полностью реки Слепня с ручьем Ботаническим и другими
впадающими в нее ручьями, Дражня, Лоша (с впадающей в нее рекой Мышка с притоком Грушевский ручей) и некоторые ручьи. В середине 50-х Свислочь была расширена в центральной части города, производилось углубление русла и укрепление берегов железобетонными конструкциями. В 1955 г. поместили в коллектор оставшуюся часть реки Немига. В 1951 г. было создано Чижовское водохранилище, в 1956 г. - Заславское водохранилище (Минское море). В 1968-1976 гг. построена Вилейско-Минская водная система, по которой вода попадает в Свислочь из Вилии -был создан канал для переброса воды, на Свисло-чи построены водоемы Криница и Дрозды. Река Слепня преобразована в Слепянскую водную систему - было создано 14 искусственных водоемов и 13 каскадов. Из водохранилища Дрозды вода закрытым водоводом подается в Цнянское водохранилище и через открытые и подземные водоводы поступает к водоему возле ул. Седых и Калиновского, далее система повторяет русло Слепянки. В 60-х гг. началось обмеление Мышки, вызванное строительством водозабора №2 возле берегов. Продолжалось осушение болот, к концу периода их практически не остается в городе. Исчезла река Словсть. Была канализирована, а затем исчезла река Серебрянка.
Период VI, 1990-настоящее время, Республика Беларусь. На 2012 г. площадь Минска составляет 34 884 га, население в 2016 г. составило 1959 тыс., что составляет около 20.4 % населения страны. Расширяется освоение территорий, особенно быстро застраиваются западное и северо-восточное направления, а также территории юго-западе и юге. Очень сильно сократилась незастроенная площадь в пределах МКАД. Застройка уплотняется, увеличивается процент запечатанных площадей. Природные территории сокращаются и благоустраиваются с повышением возможности предоставления рекреационных услуг, и сокращением - средообразующих. Застройка смыкается вокруг зеленых коридоров. В черту города вошли реки Тростянка, Цна, Крупка, Дививелов-ка, Малиновка. В результате освоения исчезает река Малиновка в нижнем течении, остатки реки Тростянка в пределах города, часть р. Крупка южнее проспекта Независимости. Остаток русла реки Дививеловка Минска преобразован в пруд.
На протяжении нескольких первых веков существования города воздействие на водные объекты было небольшим по площади и степени. По мере приближения к настоящему времени население и площадь города росли экспоненциально, и каждый новый период отличался все расширяю-
щимся и нарастающим антропогенным воздействием, усугублением старых видов воздействия и появлением новых. Наиболее сильно водные объекты были преобразованы во второй половине XX века, когда была построена Вилейско-Мин-ская водная система.
Заключение
Проведенная реконструкция естественной сети Минска позволила выявить изменения морфологии и параметров водотоков, создать карту исторических русловых процессов. Общая протяженность речных русел сократилась на треть, что произошло за счет сокращения длины и уменьшении извилистости оставшихся участков водотоков. Наилучшим источником для изучения изменения меандрирования водотоков являются аэрофотоснимки и космоснимки, так как на исторических картах небольшие меандры зачастую не отмечаются. Недостатком этих источников является невысокое качество аэрофотоснимков середины прошлого века, неполнота охвата и отсутствие снимков более ранних периодов (на момент первой съемки Минска часть водотоков уже была изменена).
ГИС-моделирование позволило выявить большое количество элементов гидрографической сети, при этом оценить их функционально-морфологический тип очень сложно. Однако даже в таком виде этот тип реконструкции полезен для изучения дренажной сети территории. Метод ГИС-моделирования может быть оптимизирован с использованием ключевого участка - аналога на ненарушенных территориях со сходными условиями. Моделирование на подобном участке позволит сделать более обоснованный выбор значения величины элементарного водосборного бассейна способного генерировать постоянный водоток.
Впервые для Минска изменения водотоков были систематизированы по историческим периодам. Выявлено, что наиболее сильно водные объекты были преобразованы во второй половине XX века, когда была построена Вилейско-Мин-ская водная система и реки Свислочь и Слепня получили дополнительное обводнение. На реках были построены водохранилища, русловые процессы оказались законсервированы, в связи с за-регулированностью стока рек.
Полученные данные могут быть использованы для определения средостабилизирующего потенциала речных долин и их роли в экологическом каркасе Минска, а также для разработки предложений по экологической реконструкции речной сети и реабилитации долинно-речных ландшаф-
48
российский журннл оришой экологии
тов в особенности на отрезках, находящихся в критичном состоянии.
Список литературы
1. Аэрофотоснимки немецких спутников Второй Мировой войны, 28.5.1944 и 15.5.1943. URL: http://warfly.ru/?lat=5 3.895033&lon=27.569160&z=12
2. Бон Т.М. «Минский феномен». Городское планирование и урбанизация в Советском Союзе после Второй мировой войны. М.: Российская политическая энциклопедия, 2013. 414 с.
3. Васильева Н.В. Антропогенные изменения гидрографической сети в Великом Новгороде // Общество. Среда. Развитие (Terra Humana). 2011. №1. С. 215-222.
4. История Минска. Мн.: Изд-во АН БССР, 1957. 541 с.
5. Карта Минска и окрестностей. 1933 год. Масштаб 1:50000, N-35.
6. Колбовский Е.Ю. Ландшафтоведение: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2006. 480 с.
7. Колбовский Е.Ю., Пасхина М.В., Брагин П.Н. Рельеф в геоинформационных системах: от традиционных карт к моделям ГИС // Ярославский педагогический вестник. 2010. Т. 3, № 4. С. 140-147.
8. Кондратьев Н.Е., Попов И.В., Снищенко Б.Ф. Основы гидроморфологической теории руслового процесса. Л.: Ги-дрометеоиздат, 1982. 272 с.
9. Король В.А., Воинов А.П., Заславский Е.Л. Минск: Послевоенный опыт реконструкции и развития. М.: Изд-во литературы по строительству, 1966. 179 с.
10. Очерки по геоморфологии урбосферы / Отв. ред. Э.А. Лихачева, Д.А. Тимофеев. М.: Медиа-ПРЕСС, 2009. 352 с.
11. Лихачёва Э.А., Чеснокова И.В. Борсукова И.В., Морозова А.В. Урбанизированные территории как очаги трансформации природных геоморфологических условий // Антропогенная трансформация геопространства: история и современность / Матер. II Междунар. научно-практической
конференции. Вологда: Волгоградский государственный университет, 2015. С. 99-104.
12. Плужников В.Н., Станкевич Р.А., Малижонок М.И., Жуков Д.Ф. Вилейско-Минская водная система. Мн.: Изд-во «Университетское», 1987. 63 с.
13. Снимки американской космической программы дистанционного зондирования Земли CORONA, 1964, 1967 гг.
14. Яшков И.А., Иванов А.В, Шешнев А.С. Анализ пространственно-временных изменений городской естественной и искусственной дренажных сетей по серии карт (на примере Саратова) // Устойчивое развитие территорий: теория ГИС и практический опыт / Материалы междунар. конф. Саратов - Урумчи, 2008. Т. 1. С. 204-208.
15. Broadheada A.T., Hornb R., Lernera D.N. Сар1ш^ streams and springs in combined sewers: A review of the evidence, consequences and opportunities // Water Research Volume. 2013. 47, Issue 13, Р. 4752-4766.
E.S. Radchikova. Study of history of hydro-graphic network transformation of urbanized territories on the example of Minsk.
The anthropogenic transformation of the river network of Minsk throughout the history of its development is analyzed in the article. To analyze the changes using historical sources and GIS-modeling, the historical river network was reconstructed, and the map of channel processes was created. The river network transformation was characterized according to the periods of the city development.
Keywords: hydrographic network, modeling of watercourses, anthropogenic transformation of watersheds, town-planning history of Minsk, channel processes.
