CC BY
28
УДК 528.94
КОНЦЕПЦИЯ МОРФОСИСТЕМ КАК МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ ОСНОВА КАРТОГРАФИРОВАНИЯ СЕЛЕВОЙ ОПАСНОСТИ
Владимир Павлович Ступин
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (964)103-08-17, e-mail: Stupinigu@mail.ru
Леонид Александрович Пластинин
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, доктор технических наук, профессор кафедры маркшейдерского дела и геодезии, тел. (914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
В статье рассматриваются принципы картографирования и морфодинамического анализа селевых бассейнов.
Ключевые слова: картографирование селей, морфодинамический анализ.
THE CONCEPT OF MORHYSYSTEMS AS A METHODOLOGICAL FRAMEWORK FOR MAPPING MUDFLOW HAZARD
Vladimir P. Stupin
Irkutsk National Research Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova St., D. Sc., professor of Surveying and Geodesy, tel. (964)103-08-17, e-mail: Stupinigu@mail.ru
Leonid A. Plastinin
Irkutsk National Research Technical University, 664074, Russia, Irkutsk, 83 Lermontova St., D. Sc., professor of Surveying and Geodesy, tel. (914)881-18-08, e-mail: plast@istu.edu
The article discusses the principles of mapping and morphodynamic analysis of the debris flow basins.
Key words: mapping of debris flow, morphodynamic analysis.
Селевые потоки возникают при наличии трех основных условий: гористой местности, наличия разрушенных пород, загромождающих русло водотока и редких, но сильных ливней, даже при небольшом годовом количестве осадков.
К подобного рода близким по типу селевой опасности условиям относятся приграничные горные районы России и Монголии. С российской стороны это южное Прибайкалье с хребтами Тункинские гольцы, Хамар-Дабан и цепью Тункинских котловин, а с монгольской - территория озера Хубсугул и окружающего его горного обрамления [1, 2]. Таким образом, очевидна необходимость исследования, районирования и прогноза опасных селевых явлений как в Южном Прибайкалье (Россия), так и в Прихубсугулье (Монголия) на основе организации их постоянного мониторинга.
Наиболее эффективным инструментом мониторинга селевой опасности для обширных и труднодоступных территорий является геоинформационное
картографирование и применение ГИС-технологий, которые позволяют изучать и анализировать сложный механизм формирования и развития селевых процессов и явлений путем создания цифровых картографических моделей, реализуемых в двухмерном, трехмерном и четырехмерном (динамика во времени) представлении. Геоинформационное картографическое моделирование многократно увеличивает возможности накопления, актуализации, передачи, тиражирования и управления информацией и данным о селевых процессах. Оно является незаменимым, эффективным и гибким инструментом для научных, ведомственных, административных и других организаций при изучении и оценке селевой опасности, ее прогнозе, планировании мероприятий по борьбе с селями и управлении процессами ликвидаций их последствий.
Основой геоинформационного картографирования селевой опасности являются три базовые составляющие: методологическая, информационная и технологическая.
Методологическая составляющая является теоретической основой ГИС-картографирования селевой опасности. В качестве такой основы выступает концепция морфосистем и морфодинамического анализа рельефа, позволяющая выявить естественную делимость и динамическую иерархию рельефа и выполнить его картографирование на разных уровнях генерализации - морфострук-турном, бассейновом и склоновом [3, 4]. Одним из базовых принципов мониторинга селевой опасности представляется картографирование селевых проявлений и районирование селевой опасности на основе концепции бассейновых морфосистем [5], поскольку основным фактором-условием пространственной организации селевых процессов является бассейновая структура территории. В бассейнах осуществляется накопление обломочного материала твердой составляющей будущих селей и распределение потоков жидкой составляющей в виде талых и дождевых вод.
Согласно бассейновой концепции главными репеллерами бассейновых систем служат водоразделы, а аттракторами - тальвеги стволовых водотоков. Системы имеют только один выход: у сложных бассейнов они открываются на базис материнской морфоструктурной морфосистемы, у подбассейнов - на тальвег материнской бассейновой системы. Мощность экзогенно-активного элементарных бассейнов не превышает нескольких десятков метров, но у сложных систем может достигать сотен метров. Базисная поверхность таких систем касается тальвегов стволового водотока и притоков высших порядков. Вершинная поверхность обобщенно повторяет форму бассейна и высших килевых линий. Линии тока направлены к килям и образуют древовидные конвергентные системы.
Бассейновые системы обычно включают два-три уровня бассейнов низших порядков. Наименьшая таксономическая единица бассейнового ряда - элементарный бассейн с тальвегом первого порядка - выделяется по особенности морфологии эрозионной сети, заключающейся в том, расчленяющие его борта тальвеги нулевого порядка конформны своим склонам и лишь осложняют их.
Информационная составляющая геоинформационного системного картографирования представляет собой систему сбора, систематизации и оператив-
ного обновления баз специальных данных. Источниками информации служат: оперативные постоянно обновляемые материалы дистанционного зондирования (цифровые и аналоговые аэро- и космические снимки, получаемые широким спектром летательных аппаратов и сенсоров); топографические, инженерно-геологические, ландшафтные и другие карты; цифровые модели рельефа; данные, описания и материалы предыдущих и современных исследований и изысканий.
Технологическая составляющая системного картографирования представляет собой ГИС, предназначенную для пространственной привязки, накопления, хранения, актуализации, обработки и получения новой информации о селевых процессах. Одним из главных методов отображения геоданных и средством их исследования является ГИС-картографирование, которое дает возможность анализа и синтеза факторов и условий формирования селей на разных масштабных и временных уровнях.
Качество получаемых цифровых карт определяется применяемым программным обеспечением, возможностями средств ввода, вывода и обработки информации. Примерно одинаковые результаты обеспечивают такие ГИС, как MapInfo, Панорама и др., однако наиболее предпочтительной представляется Esri ArcGIS - геоинформационная платформа корпоративного уровня, предназначенная для поддержки принятия решений с использованием пространственной информации для управления территорией, регионом или организацией. ArcGIS обеспечивает решение любых технологических задач, связанных со сбором, хранением, анализом, визуализацией и предоставлением доступа к пространственным данным. Наиболее полезным для наших исследований модулем системы является модуль Spatial Analyst и особенно такие его опции, как построение изолиний и вычисление производных характеристик поверхностей (отмывки, зон видимости, уклонов, кривизны, экспозиций, поступления солнечной радиации) и гидрологические расчеты (поверхностный сток, инфильтрация грунтовых вод, построение речных бассейнов, выделение и порядковая классификация тальвегов). Вторая опция реализуется с помощью стандартных и специализированных инструментов ArcGIS, соответственно, модуля Гидрология и модуля Arc Hydro. Эти модули позволяют получать карты гидрографии с соответствующими данными и описаниями, строить дренажные системы, реа-лизовывать 3-D представление как отдельных водотоков, так и их сетей; создавать временные ряды, описывавшие динамику бассейновых систем.
Контуры бассейновых морфосистем разного ранга строятся на основе цифровых моделей рельефа (ЦМР), например, таких как SRTM v4. Наилучшие результаты получаются в том случае, если сначала используется инструмент Привязка точки устья (Snap Pour Point), который позволит определить положение точек устьев, привязав их к ячейкам с высоким суммарным стоком. Устьевые точки можно также набирать вручную по горизонталям векторной карты, построенной по ЦМР.
В качестве примера практической реализации рассмотренной концепции приведена карта селевой опасности, исходящая из бассейнов небольших речек
Большая и Малая Осиновка (рис. 1), впадающих в озеро Байкал восточнее г. Байкальска. Средний многолетний модуль их стока составляет 18,8 л/с кв. км. Расход воды в Большой Осиновке достигает 0,58 куб. м/с, а Малой Осиновки 0,14 куб. м/с, а расход взвешенных наносов 1157 и 0,189 тыс. т, соответственно [6]. Особенностью этих бассейновых систем является то, что на их слившихся конусах выноса расположена большая часть карт-шламонакопителей БЦБК, которые содержат несколько миллионов кубометров отходов, включающих хлор-лигнин, хлорфенолы и другие ядовитые химические соединения. Обе названные речки являются селеопасными и несут непосредственную угрозу разрушения отстойников и выноса ядовитых отходов в Байкал при подъеме уровня воды на 5 м и выше. Высокую вероятность такого сценария подтверждает паводок 1971 года, когда только принятие экстренных мер предохранило прорыв паводковых вод в отстойники. Таким образом, в случае прохождения здесь крупного селя, велика вероятность повреждения изношенных очистных сооружений и неминуемое попадание их содержимого в Байкал, что будет равносильно загрязнению озера стоками БЦБК в течение 700 лет.
Рис. 1. Карта селевой опасности зоны шламонакопителей БЦБК:
I - денудационные горно-таежные склоны хребта Хамар-Дабан, 2 - аккумулятивные низкие поймы и конуса выноса Большой и Малой Осиновки, зона высокой селеопасности, 3 - аккумулятивные возвышенные участки конусов выноса, зона умеренной селеопасности, 4 - карты-шламонакопители БЦБК, 5 - селитебные территории на конусах выноса, 6 - акватория озера Байкал, 7 - водоразделы селевых бассейновых систем, 8 - селеопасные русла постоянных водотоков, 9 - селе-опасные русла временных водотоков, 10 - Транссибирская железная дорога,
II - федеральная автодорога «Байкал», 12 - ЛЭП
На карте показаны бассейны, опирающиеся на базис материнской мор-фосистемы (урез озера Байкал). Также на карту нанесены селевые очаги, селе-
вые русла, селевые шлейфы и конуса выноса, местоположение которых выявлено по материалам ДЗЗ и полевым данным. Кроме того, на карте показаны тальвеги водотоков, опирающихся на урез Байкала, населенные пункты, федеральная трасса Р-258 и Транссибирская железнодорожная магистраль.
Аналогичная карта составлена для одного из участков западного побережья озера Хубсугул (рис. 2). На карте показано несколько бассейновых селео-пасных систем, опирающихся на урез озера. Все бассейны являются малыми, а их стержневые водотоки временными. Тем не менее, благоприятные геолого-геоморфологические и климатические условия картографируемой территории являются предпосылкой для периодического прохождения по тальвегам этих бассейнов селей средней и малой мощности. Свидетельством этих селей является наличие на выходе из этих бассейнов достаточно мощных конусов выноса, сливающихся в единый подгорный шлейф.
Рис. 2. Карта селевой опасности участка западного побережья
озера Хубсугул:
1 - зона высокой селеопасности, действующие русла главных водотоков бассейнов, 2 - зона умеренной селеопасности, неактивные участки конусов выноса главных водотоков бассейнов, 3 - горнотаежные склоны водосборных бассейнов, 4 - остепненные склоны водосборных бассейнов, 5 - аккумулятивные береговые формы (пляжи, косы), 6 - акватория озера Хубсугул, 7 - водоразделы селевых бассейновых систем, 8 - потенциально селеопасные русла временных водотоков бассейнов второстепенных порядков
Рассмотренная многоуровневая система ГИС-картографирования селевых процессов ориентирована на сбор, упорядочение, актуализацию и визуализацию исходной информации по селевой тематике. Система открыта для доступа к данным в целях их изучения, анализа, пространственного моделирования и инженерных расчетов. Поэтому она может быть с успехом использована различными административными, научными и производственными организациями
для оперативной оценки селевой опасности региона на различных масштабных уровнях, прогноза и принятия управленческих решений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Макаров С. А. Сели Прибайкалья. - Иркутск : Изд-во Института географии им. В. Б. Сочавы СО РАН, 2012. - 111 с.
2. Черкасов А. Е., Шумеев В. П., Батсух Н. Селевые паводки в бассейне озера Хубсугул летом 1971 г. // Природные условия и ресурсы Прихубсугулья (Монгольская Народная Республика). Тр. Советско-монгольской комплексной Хубсугульской экспедиции. Вып. 1. - Иркутск ; Улан-Батор, 1972. - С. 87-89.
3. Ступин В. П. Картографирование морфосистем. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2009. -
160 с.
4. Пластинин Л. А., Ступин В. П. Морфосистемное картографирование экзогенных геологических процессов Байкальской горной страны // Геодезия и картография. - 2013. -№ 10. - С. 17-21.
5. Ступин В. П. Морфологический и морфометрический анализ топографических карт при исследовании и картографировании морфосистем // Проблемы освоения минеральной базы Восточной Сибири. Вып. 5. - Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2005. - С. 154-160.
6. Опасные геологические процессы в Юго-Западном Прибайкалье / В. К. Лапердин, К. Г. Леви, В. С. Имаев, В. Г. Молочный. - Иркутск : ИЗК СО РАН, 2016. - 206 с.
© В. П. Ступин, Л. А. Пластинин, 2017
