ОБЗОР ПОЛЕВЫХ ОБСЛЕДОВАНИЙ ОТДЕЛЬНЫХ ТИПИЧНЫХ РЕЧНЫХ РУСЕЛ ЮГА И ЮГО-ВОСТОКА КАЗАХСТАНА Текст научной статьи по специальности «Естественные и точные науки»

Экспедицияльщ зерттеулер

Экспедиционные исследования

Field research

УДК 556(574)

А. Б. Мырзахметов1, А. Ж. Достаева2, Г. Исакан2, М. Э. ^анай3, Ж. Т. Салаватова4

1 Старший научный сотрудник лаборатории водных ресурсов (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан)

2Научный сотрудник лаборатории водных ресурсов (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан)

3Младший научный сотрудник лаборатории водных ресурсов (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан) 4Магистр 2-го курса кафедры метеорологии и гидрологии (Казахский национальный университет им. аль-Фараби, Алматы, Казахстан)

ОБЗОР ПОЛЕВЫХ ОБСЛЕДОВАНИЙ ОТДЕЛЬНЫХ ТИПИЧНЫХ РЕЧНЫХ РУСЕЛ ЮГА И ЮГО-ВОСТОКА КАЗАХСТАНА

Аннотация. Экспедиционные исследования были направлены на выполнение проекта «Разработка паспортов рек Казахстана», основной целью которого являются полномасштабная паспортизация и комплексная инвентаризация водных объектов, обеспечение учета, мониторинга и исследования всех видов водных ресурсов, включая ледники, с последующей разработкой единой комплексной системы состояния водного фонда. В полевых исследованиях работы велись для уточнения правильности полученной информации путем дистанционного зондированияе Земли (ДЗЗ).

Ключевые слова: гидрографические характеристики, дистанционное зондирование Земли, полевые исследования, реки.

Введение. В рамках реализации проекта «Разработка паспортов рек Казахстана» в весенне-летний период 2021 года проводились полевые работы по обследованию отдельных типичных речных русел юга и юго-востока Казахстана, включающие инструментальные измерения для верификации идентификационных работ, полученных по данным дистанционного зондирования Земли. Проведены линейные измерения для определения ширины и длины реки, гидрометрические работы по определению расходов воды с помощью измерителя скорости водного потока ИСВП-ГР-21М1 с преобразователем ИСО-1 (гидрометрическая вертушка). Параллельно велись топогеодезические работы для измерения высотных отметок местности и уровня воды в целях определения среднего уклона участка русла реки, а также построения поперечного профиля реки.

Измерялись площадные морфологические характеристики с помощью БПЛА, в результате съемок получены ортофотопланы (вид сверху) и цифровые модели местности.

Цель исследования. Выполнение полевых исследований с использованием современных высокоточных измерительных приборов и аппаратов (наземные, летательные) на отдельных типичных речных руслах рек по водохозяйственным бассейнам Казахстана для верификации (подтверждения) результатов данных дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ)

Результаты исследования. В целях повышения эффективности результатов гидрологических исследований проводятся измерения, включающие в себя различные эксперименты по изучению интересующего объекта контактными методами, а комплексность исследований характеризуется использованием спутниковых и наземных данных, которые в последующем будут объединяться в геоинформационную систему.

Для успешного выполнения поставленных задач использовался интегрированный подход, который объединяет различные научные методы исследований при изучении сложных природных процессов, состоящий из нескольких этапов:

1 этап - подготовительный (выполнялся до начала полевых работ на основе картографических и литературных материалов и материалов дистанционного зондирования), по картографическим материалам определяются основные гидрографические характеристики реки, проводится обработка снимков;

2 этап - выполнение полевых исследований (топогеодезические, гидрометрические и другие работы на реках и их водосборах) для верификации результатов данных ДЗЗ;

3 этап - заключительный, проводятся камеральная обработка и сравнительные работы по полученным полевым измерениям с данными ДЗЗ; статистические данные позволяют проверить точность оценки гидрографических характеристик рек.

До начала полевых работ в первую очередь были определены типы рек, на которых проводились исследования.

Прежде чем рассматривать рекогносцировочные и другие виды планируемых работ, были учтены требования, предъявляемые к выбору участка реки. Место для проведения работ выбрано согласно Наставлению [1].

В рамках реализации комплексных полевых работ выполнены обследования на 201 реке, в том числе на 13 реках первого порядка, 47реках второго порядка и 141 реке третьего и последующего порядка (см. таблицу) по Арало-Сырдариинскому, Балкаш-Алакольскому, Ертисскому и Шу-Таласскому ВХБ. Все полученные результаты в ходе наземных исследований обобщены для дальнейшего изучения.

Дополнительно в целях верификации результатов данных дистанционного зондирования Земли (ДДЗ) были выполнены аэрофотосъемочные работы на 126 участках по исследуемым ВХБ, в результате определены характеристики 121 объекта. При этом выявлены пашни - 35, лесистая местность - 32, озёра - 11, населенные пункты - 18, болотистая местность - 25. Получены ортофотопланы местности.

Сбор сведений о гидрологическом режиме. При сборе сведений о гидрологических режимах рек проводился также опрос местного населения по максимальным или минимальным показателям на реке.

Другим этапом рекогносцировки была корректура крупномасштабных карт с фиксацией изменений, происшедших в рельефе и глубинах русел, очертании берегов, характере рельефа и растительности на поймах и т.п. При отсутствии крупномасштабных карт или аэрофотоматериалов проводилась глазомерная съемка, в результате которой получен схематический план каждого обследуемого участка с указанием очертаний меженного русла, коренных берегов, основных элементов рельефа поймы и характера растительности на ней.

Топогеодезические работы и аэрофотосъемка. Полевые топографо-геодезические работы проведены в соответствии с общепринятыми нормами и правилами [3-5] на 201 реке. Комплекс полевых топографо-геодезических работ позволил получить данные о местности, рельефе и водной поверхности для составления топографических планов и профилей водных объектов (русел рек, акваторий водохранилищ, озер, прибрежной части морей и прилегающих к ним частей берега со всеми особенностями).

В соответствии с пунктом 4.7. СП РК 1.02-101-2014 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Основные положения» [3] инженерно-геодезические работы выполнялись в три этапа: подготовительный, полевой и камеральный.

Полевые работы начинались с рекогносцировки участка работ, в процессе которой уточнялись в натуре предполагаемые места поперечного сечения и места установки базовых станций Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) (рисунок 1). Наиболее выгодными местами для установки спутниковых базовых станций в районах русловых гидрографических съемок являлись незалесенные холмы, высокие подпойменные террасы и другие открытые места, с которых открывается широкий горизонт видимости.

Сведения о натурных обследованиях рек и временных водотоках

Водосборные бассейны Количество рек по категориям

Всего 1-го порядка 2-го порядка 3-го и последующего порядка

1. Арало-Сырдариинский ВХБ

Р. Сырдария 1 1 - -

Бассейн р. Келес и Куруккелес 9 - 1 8

Бассейн р. Арыс и водотоков низовьев р. Сырдария 8 - 1 8

Бассейны рек зап. склона хр. Каратау 7 - 1 6

Всего 26 1 3 22

2. Балкаш-Алакольский ВХБ

Бассейн р. Иле и реки ее бассейна 22 1 7 22

Бассейны рек Северного Балкаша 8 1 2 5

Бассейны рек Аягоз 7 1 2 4

Бассейны рек сев. склона Жетысу Алатау 12 1 4 7

Бассейн р. Каратал 10 1 3 6

Бассейн Алакольской впадины (бассейны рек Каракол, Уржар и Тентек) 17 2 6 9

Всего 84 7 24 53

3. Ертисский ВХБ

Бассейн р. Ертис и рек ее бассейна в пределах территории Казахстана 55 1 10 44

Всего 55 1 10 44

4. Шу-Таласский ВХБ

Бассейн р. Шу и реки ее бассейна в пределах территории Казахстана. 18 1 4 13

Бассейны рек в междуречье Шу и Талас 2 1 1 -

Бассейн реки Асы 6 1 1 4

Бассейны рек вост. склона хр. Каратау 8 - 4 4

Бассейн р. Талас и рек ее бассейна в пределах территории Казахстана 2 1 - 1

Всего 36 4 10 22

Итого за 2021 год 201 13 47 141

Топографическая съемка прибрежной полосы выполнялась с применением глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS, а также методом комбинированной аэрофототопографической съемки.

Топографическая съемка проводилась по ранее заданной оси поперечного сечения с подробностью масштаба 1:500 и сечением горизонталей 0,5 м. Также измерения осуществлялись на следующих характерных точках: урезы воды левого и правого берегов, следы высоких вод, урезы верхнего и нижнего уровня воды.

В связи с применением спутниковых снимков для гидрографических работ было принято решение об использовании глобальной системы координат WGS 1984 с возможностью пересчета в прямоугольную систему UTM (сетка координат в универсальной поперечной проекции Меркатора) и ортометрическую высоту на основе модели геоида EGM 2008.

Рисунок 1 - Базовая станция GNSS Рисунок 2 - Опознавательный знак (маркер)

Камеральная обработка всей информации, полученной в результате полевых измерений, проводилась в программном обеспечении Trimble Business Centre.

Основной задачей статических наблюдений являлась привязка к Международной земной от-счетной основе ITRF. Для этого «сырые» данные были конвертированы в RINEX-формат и отправлены на сайт https://www.ga.gov.au/bin/gps.pl. В результате мы получили уравненные координаты и высоты в системе координат WGS 1984, UTM. Далее эти данные были использованы для перерасчета GNSS-измерений, выполненных в режиме кинематика в реальном времени (RTK).

Параллельно с топографическими работами проводились аэрофотосъемочные работы с применением БПЛА. Аэрофотосъемочные работы состояли из следующих этапов: а) закладка опознавательных знаков (маркеров) на местности (рисунок 2); б) летно-съемочные работы (рисунок 3).

Для трансформирования аэроснимков и получения конечной продукции аэрофотосъемки -ортофотоплана участка проводилась геодезическая привязка контурных точек аэроснимков (маркеров) к существующим реперам либо к базовой станции с известными координатами. В качестве опознаков выбирались контурные точки местности, которые опознаются с точностью 0,1 мм в масштабе плана и отображаются одинаково четко на перекрывающихся частях всех аэроснимков. Плановая привязка аэроснимков осуществлялась попутно с ведением топографических работ.

Рисунок 3 - Использование ПО DronDeploy для автоматического управления дроном DJI Phantom 4 Pro V2.0

Рисунок 4 - Ортофотоплан пашни, населенного пункта и створа поста (р. Шамалган - трасса Алматы - Бишкек) в бассейне реки Шамалган

В качестве примера на рисунке 4 представлен фрагмент аэрофотосъемки реки Шамалган Балкаш-Алакольского ВХБ.

Летно-съемочные работы велись с применением беспилотных летательных аппаратов DJI Phantom 4 pro. Этот беспилотный летательный аппарат с помощью программных обеспечений (Dron Deploy, PIX4D) осуществляет полет на заданной местности в автоматическом режиме, получая высококачественные изображения с привязкой к географическим координатам (см. рисунок 3). Встроенное GPS оборудование позволяет передвигаться согласно маршруту и получать географические координаты снимков во время движения с точностью от 0,5 до 1 м.

Продольное перекрытие при аэрофотосъемке было принято не менее 80 %, а поперечное - не менее 70 % от площади снимка. Высота полета от 60 до 100 м. Площадь охвата аэрофотосъемки на одном объекте в среднем от 150 до 500 га.

Гидрометрические работы на реках включали рекогносцировочное обследование на отобранных гидрологических створах и постах, как действующих, так и закрытых, включая гидрологическое описание участков рек, проведение промерных работ, измерения расходов воды на реках.

Под речным стоком понимают перемещение воды в виде потока по речному руслу, которое происходит под действием гравитации. Речной сток является важнейшим элементом круговорота воды в природе.

Количественное значение стока в единицу времени называется расходом воды. Расход воды -одна из важнейших гидрологических характеристик, необходимая при проектировании и строительстве различных по назначению гидротехнических сооружений, водоснабжения, управления, распределения и оценки водных ресурсов. Расход - это объем воды, протекающей через поперечное сечение русла в единицу времени, одна из характеристик режима рек и водных ресурсов.

На рисунке 5 приведены моменты измерений морфометрических характеристик и скорости потока в створе поста согласно Наставлению по гидрометеорологическим станциям и постам [2].

При исследовании водотоков учитывались особенности речного бассейна: заболоченность, распаханность, лесистость, урбанизированность, характер почво-грунтов, зарегулированность рек и т.д. Также определялись уклон русла реки, непосредственно на участке створа измерения; поперечный профиль реки с координатными данными и обозначением высотного положения водной поверхности.

Рисунок 5 - Рабочие моменты проведения измерительных работ на реках Шошкалы (а) и Акешке (б)

Морфометрические характеристики створов рек вместе с результатами измеренных расходов воды по исследуемым водотокам рассчитаны и после камеральной обработки материалов внесены в специальный полевой журнал, после чего переведены в электронный формат. В качестве примера на рисунке 6 показан поперечный профиль р. Келес в створе поста.

563

562

561

560

£ 559 **

К 558

557

556

555

554

л \ ___'

\ \

\

"У™ \ \ \ —А-\ V УЙВ 556.0

гЬ Ю 555.5 ___]_

у

ЛВ. б

Пр.

V

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

I., м

Рисунок 6 - Поперечный профиль р. Келес - с. Казыгурт

На рисунке 7 представлены некоторые рабочие моменты гидрометрических работ на водотоках.

Измерительные работы проводились как на действующих гидрологических постах, так и в закрытых, а также во временных гидростворах при соблюдении прямолинейности участка (без резких изгибов русла), отсутствии пульсаций потока и помех при измерениях скорости течения воды и прочим условиям согласно СНиП [6-7]. Выбор временных створов на реках осуществлялся согласно Наставлению по гидрометеорологическим станциям и постам [2].

На малых реках, где невозможно использовать ИСВП-ГР-21М1, применялся поплавковый метод измерения, позволяющий определить величину скорости и направления поверхностного течения русла.

Рисунок 7 - Изыскательские работы на реках

Результаты измерения расходов воды по всем исследуемым водотокам занесены в специальный полевой журнал непосредственно в полевых условиях и после камеральной обработки материалов переведены в электронный формат.

Выводы. Таким образом, по результатам комплексного полевого исследования на водотоках (реках) и обобщающего аналитического материала можно сделать следующие выводы:

1. Часть полевых работ проводилась в период прохождения весеннего половодья «казахстанского типа», короткого по времени, в целях «улавливания» речного стока малых и неизученных водотоков. В закономерных периодах наступления весенних половодий произошел определенный сдвиг. На некоторых реках подъем уровней воды в весенний период наступил на месяц раньше, например р. Коксу, в других реках - на 2-3 недели позже (Текели, Шыжын и др.).

2. На водотоках зафиксированы активные процессы заиления (отмель, иловые и песчаные отложения); интенсивные деформационные процессы русла; подверженность берегов водотоков к выветриванию. Этим процессам способствуют визуально констатируемые на водосборной части рек активное ведение обработки склонов и прилежащих территорий (распашка), интенсивный выпас скота (деградация почвенного покрова) и высыхание лесной растительности.

3. Большинство малых родников, входящих в область питания горных рек, истощены или же их дебит ограничен.

4. По опросам местных жителей и наблюдателей гидрологических постов в последние десятилетия, а ярко выраженно - в последние 2 года количество атмосферных осадков уменьшилось в несколько раз, в частности весенние осадки практически не выпадают.

5. Измеренный расход воды обследованных рек варьировал от 1200 м3/с (р. Ертис - г/п с. Се-миярка, 15.05.2021 г.) и 25,6 м3/с (р. Лепсы - г. Лепси, 22.05.2021 г.) до 0,004 м3/с (р. Тамшы -с. Коныролен, 11.05.2021 г.).

Обобщая полевые исследования, можно констатировать, что последние годы, особенно нынешний 2021 г., были более засушливыми, с малым количеством атмосферных осадков и высокими температурами воздуха.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Наставление по рекогносцировочным гидрографическим исследования рек. - Л.: Гидрометеоиздат, 1949. - 132 с.

[2] Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Гидрологические наблюдения и работы на малых реках. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - Вып. 6. - 266 с.

[3] СП РК 1.02-105-2014. Инженерные изыскания для строительства. Основные положения. - Астана, 2015. - 104 с.

[4] СП РК 1.02-101-2014. Инженерно-геодезические изыскания для строительства. Основные положения. - Астана, 2015. - 179 с.

[5] СН РК 1.03-03-2013. Геодезические работы в строительстве. Государственные нормативы в области архитектуры, градостроительства и строительства. Строительные нормы Республики Казахстан. - Астана: Министерство национальной экономики Республики Казахстан, 2015. - 48 с.

[6] Строительные нормы и правила. СНиП 2.05.03-84. Мосты и трубы / Госстрой СССР. - М., 1985. - 200 с.

[7] Строительные нормы и правила СНиП 2.01.14-83. - М.: Стройиздат, 1985. - 40 с.

REFERENCES

[1] Manual on reconnaissance hydrographic studies of rivers. L: Hydrometeoizdat, 1949. 132 p. (in Russ.).

[2] Instruction to hydrometeorological stations and posts. Hydrological observations and work on small rivers. L.: Hydrometeoizdat, 1972. Vol. 6. 266 p. (in Russ.).

[3] SR RK 1.02-105-2014. Engineering surveys for construction. The main provisions. Astana, 2015. 104 p. (in Russ.).

[4] SR RK 1.02-101-2014. Engineering and geodetic surveys for construction. The main provisions. Astana, 2015. 179 p. (in Russ.).

[5] SI RK 1.03-03-2013. Geodetic works in construction. State standards in the field of architecture, urban planning and construction Building regulations of the Republic of Kazakhstan. Ministry of National Economy of the Republic of Kazakhstan. Astana, 2015. 48 p. (in Russ.).

[6] Building codes and regulations. SNiP 2.05.03-84. Bridges and pipes / Gosstroy of the USSR. M., 1985. 200 p. (in Russ.).

[7] Construction norms and rules of SNiR 2.01.14-83. Moscow: Stroyizdat, 1985. 40 p. (in Russ.).

А. Б. Мырзахметов1, А. Ж. Достаева2, Г. Исакан2, М. Э. ^анай3, Ж. Т. Салаватова4

1 Су ресурстары зертханасыньщ ага гылыми кызметкерi («География жэне су каушаздт институты» АК, Алматы, Казакстан)

2 Су ресурстары зертханасыныц гылыми кызметкерi («География жэне су каушаздт институты» АК, Алматы, Казахстан)

3 Су ресурстары зертханасыныц кiшi гылыми кызметкерi («География жэне су каушаздт институты» АК, Алматы, Казахстан) 4 Метерология жэне гидрология кафедрсыныц 2-mi курс магистранты (Эл-Фараби атындагы Казак ултык университет^ Алматы, Казахстан)

ЦАЗАЦСТАННЬЩ OH.TYCTIK ЖЭНЕ 04TYCTIK^bIFbICbIHMFbI ЖЕКЕЛЕГЕН ТИПТ1К 6ЗЕН АРНАЛАРЫНЬЩ ДАЛАЛЬЩ ЗЕРТТЕУЛЕР1НЕ ШОЛУ

Аннотация. Экспедициялык зерттеулер «Казакстан езендершщ паспорттарын эзiрлеу» жобасын жузеге асыруга багытталды, оныц непзп туйш су объектшерш толык келемде паспорттау жэне кешендi тугендеу болып табылады. Непзп максат су ресурстарыныц барлык турлерш, соныц iшiнде муздыктарды есепке алу, мониторингтi жэне зерттеудi камтамасыз ету, су коры жагдайыныц бiртугас кешендi жYЙесiн кейiннен дамыту болып табылады. Далалык зерттеу жумыстары кашыктыктан зондтау аркылы алынган деректердiц дэлдiгi мен дурыстыгын нактылау Yшiн жYргiзiлдi.

Тушн сездер: гидрографиялык сипаттамалар, Жердi кашыктыктан зондтау, далалык зерттеулер, езендер.

A. B. Myrzakhmetov1, A. Zh. Dostayeva2, G. Isakan2, M. A. Kanay3, Zh. T. Salavatova4

1 Senior Researcher of Water Resources («Institute of Geography and Water Security» JSC, Almaty, Kazakhstan)

2 Researcher of Water Resources («Institute of Geography and Water Security» JSC, Almaty, Kazakhstan)

3 Junior Researcher of Water Resources («Institute of Geography and Water Security» JSC, Almaty, Kazakhstan) 4 Master of the 2nd year of the Department of Meteorology and Hydrology (Al-Farabi Kazakh national university, Almaty, Kazakhstan)

OVERVIEW OF FIELD SURVEYS OF INDIVIDUAL TYPICAL RIVERBEDS IN THE SOUTH AND

SOUTH-EAST OF KAZAKHSTAN

Abstract. The expedition research was aimed at the implementation of the project "Development of passports of rivers of Kazakhstan", the main point of which is full-scale certification and comprehensive inventory of water bodies. The main purpose of which is to ensure the accounting, monitoring and research of all types of water resources, including glaciers, the subsequent development of a unified integrated system of the state of the water fund. In field research, work was carried out to clarify the accuracy and correctness of the information obtained by Earth Remote Sensing (ERS)

Keywords: hydrographic characteristics, Earth Remote Sensing, field research, rivers.