ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕРАБОТКИ БЕРЕГОВОГО УСТУПА ОЗЕРА АЛАКОЛЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА

УДК 551.4.02+551.4.04

Е. Е. Халыков1, Ю. Ф. Лый2 , А. Д. Абитбаева3, М. М. Tofbic1, А. Г. Валеев1

1 Научный сотрудник лаборатории геоморфологии и геоинформационного картографирования (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан) 2 К.г.н., старший научный сотрудник лаборатории геоморфологии и геоинформационного картографирования (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан) 3 К.г.н., руководитель лаборатории геоморфологии и геоинформационного картографирования (АО «Институт географии и водной безопасности», Алматы, Казахстан)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИКИ ПЕРЕРАБОТКИ

БЕРЕГОВОГО УСТУПА ОЗЕРА АЛАКОЛЬ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛАЗЕРНОГО СКАНЕРА

Аннотация. Целью исследования является изучение динамики размыва берегов озера Алаколь с применением наземного лазерного сканирования (НЛС), который приводит к серьезным изменениям рельефной среды, создает угрозу для объектов инфраструктуры и затрудняет рекреационное освоение прибрежной зоны. Основные этапы применения метода наземного лазерного сканирования: подготовительные работы для НЛС в полевых условиях; НЛС по сбору данных с лазерным сканером RIEGL VZ-4000; обработка полученных данных в программе RiSCAN PRO; анализ разновременных цифровых моделей рельефа (ЦМР). Были выбраны 4 мониторинговых участка на юго-западном побережье озера Алаколь, где активно развивается абразия. Описанный метод съемки позволяет рассчитывать объемы темпов размыва берегов и профилирования береговой линии. Системное и долгосрочное использование метода НЛС при изучении рельефообра-зующих процессов побережья будет способствовать решению проблем, связанных с эрозией берегов, в частности снижению негативного влияния от воздействия абразии на природные береговые ландшафты и объекты инфраструктуры.

Ключевые слова: берег, рельефообразующие процессы, абразия, наземное лазерное сканирование.

Введение. Береговые линии озер - это важный участок между сушей и водой, который имеет огромное значение для окружающей среды. Обычно люди активно используют побережья в разных направлениях экономики, в том числе и в рекреации. Естественные эрозионные процессы в комплексе с деятельностью человека неизбежно изменяют прибрежные зоны озер.

Озеро Алаколь расположено на юго-востоке Казахстана в Алакольской впадине и простирается с северо-запада на юго-запад. Оно является вторым по величине среди внутренних водоемов и единственным глубоководным среди бессточных озер Казахстана. Расположено на высоте 351 м над уровнем моря, имеет следующие основные морфометрические характеристики: длина - 104 км, ширина - 52 км, средняя ширина - 25,5 км, длина береговой линии - 384 км, коэфициент развития береговой линии - 2,2 км, площадь водного зеркала - 2650 км2, наибольшая глубина - 54 м, средняя глубина - 22,1 м, объем воды - 58 560 млн м3 [1].

Гидрометеорологические условия, гидрографию и морфометрию, волновой режим, термический режим, ледовый режим, характер колебания и уровня воды, морфологию и динамику берегов и природные условия озера Алаколь всесторонне изучали разные специалисты [1-4].

Территория озера относится к полуаридной зоне. Климат имеет внутриконтинентальный и засушливый характер. Среднегодовая температура воздуха изменяется от 6,2°С в центре до 7,2°С на юге района. Среднемесячные температуры колеблются в среднем от 24,0°С (июль) до -14,8°С (январь). Наибольшее количество осадков выпадает в апреле, мае и ноябре-декабре. Среднегодовое количество осадков в Алакольской впадине составляет 521 мм. Средние годовые скорости ветра варьируют от 1,7 до 6,6 м/с [1].

Температура воды в летний период достигает 24-26°С. Вода Алаколя соленая, морская имеет минерализацию 1,2-11,6 г/л, pH 7,6-9,2, прозрачность 0,6-0,8 м [2]. Состав воды хлоридно-натриевый и хлоридно-сульфатно-натриевый, отмечается высокий уровень фтора и брома.

Рельеф котловины и побережий озера в значительной степени обусловлен тектоническими процессами, создавшими между хребтами обширную депрессию, разбитую разломами на блоки.

Террасы озера выработаны как в коренных, так и в рыхлых породах. Наличие хорошо окатанной гальки на их поверхности свидетельствует об озерном генезисе [3].

Аккумулятивный рельеф побережья представлен нерасчлененной и расчлененной озерными плоскими равнинами (западное и северо-западное побережья); расчлененной озерно-болотной плоской, слаборасчлененной равниной (залив Киши Алаколь - восточное побережье); слаборас-члененными аллювиально-дельтовыми плоскими, пологонаклонными равнинами; слаборасчле-ненной аллювиально-пролювиальной плоской пологонаклонной равниной (восточное побережье); слаборасчлененной аллювиально-озерной пологонаклонной равниной (северо-восточное побережье); расчлененной делювиально-пролювиальной, пологонаклонной равниной (юго-западное побережье); эоловой равниной на закрепленных песках (северо-восточное побережье). На островах озера развит денудационный и эрозионный выработанный рельеф.

В современном берегообразовании оз. Алаколь участвуют абразионные, аккумулятивные, абразионно-аккумулятивные, аккумулятивно-фитогенные и дельтовые процессы. Основными рельефообразующими процессами на юго-западном побережье являются абразия, просадочность, овражная эрозия, плоскостной смыв, заболачивание, затопление. На южном побережье распространены аккумуляция, плоскостной смыв, засоление, заболачивание, овражная, речная и боковая эрозии, денудационные обрывы. На северо-восточном побережье на аллювиально-пролювиальной слаборасчлененной равнине, переходящей в долины и дельты рек Катынсу и Емель, основными рельефообразующими процессами являются дефляция, аккумуляция, плоскостной смыв, затопление, эрозия речная боковая и эрозионно-денудационные обрывы. На северном побережье развиты процессы затопления, заболачивания, засоления, речной и боковой эрозии, на северозападном побережье - абразия, плоскостной смыв, засоление, на западном побережье - затопление, аккумуляция, заболачивание, плоскостной смыв, речная эрозия и эрозионно-денудационные обрывы. На островах Улькен и Кишкене Аралтобе распространены абразия и плоскостной смыв.

На основе исторических и геоморфологических данных на Алакольских озерах проходили процессы трансгрессии и регрессии. Уровень воды озера Алаколь по данным регулярных наблюдений, исторических и геоморфологических материалов имеет циклические колебания со следующими уровнями (по Балтийской системе высот): 1840 г. - 338 м, 1885 г. - 342,5 м, 1946 г. -342 м, 1967 г. - 348,15 м, в наши дни - 351 м. Амплитуда вековых колебании уровня озера обусловлена циклами различных ритмов, внутривековое значение примерно - 6 м [1]. Подъём уровня воды в озере с периода фактического наблюдения составляет в среднем от 26 до 70 см/год [3]. За последние века в озере отмечаются спады и подъемы уровня. С 1950-х годов по настоящее время ход уровня озера Алаколь имеет тенденцию к возрастанию. К основным факторам, влияющим на колебания уровня воды, относятся гидрометеорологические и неотектонические процессы, тектоническое строение.

Особенности процессов, формирующих берег озера Алаколь, определяются главным образом характером колебания уровня воды. На побережье озера увеличиваются темпы размыва берегов, что создает угрозу для объектов инфраструктуры и затрудняет рекреационное освоение прибрежной зоны. Исследование геоморфологических процессов на береговой зоне традиционными методами затрудняется сложными морфометрическими условиями побережья. В этой связи применение методов НЛС предоставляет широкие возможности оперативно и наиболее точно получать количественные данные о состоянии побережья и строить модели для последующих расчетов.

Материалы. Побережье озера Алаколь чувствительно к климатическим и антропогенным воздействиям. В последнее время происходят значительные изменения береговой линии, что требует выяснения причин изменений для оценки и предотвращения абразионного процесса. Наиболее точным и доступным методом для мониторинга изменения рельефной среды побережья является метод НЛС, который становится все более популярным и дает возможность детально отслеживать геоморфологические процессы в 3-х измерениях, улучшая пространственное и временное разрешение данных [5].

Применение метода НЛС в исследовании рельефообразования побережья широко распространено в мире. Например, результаты исследований НЛС позволили получить наиболее точную цифровую модель рельефа (ЦМР) с географической привязкой, 2D и 3D изображения морского

утеса полуострова Ясмунд (юго-западное побережье Балтийского моря) для мониторинга пространственных и временных изменений и оценки процессов массового смыва грунтовой массы [6].

Успешно применены методы НЛС при построении детальных профилей, расчетах скорости отступления и переработки берегового уступа на побережье Восточной Англии (Happisburgh, Norfolk). С 2001 по 2003 г. с участка берегового уступа длиной 100 м было переработано приблизительно 18 000 м3 грунта, а скорость отступания варьирует от 8 до 10 м/год [7].

Оценку причин переработки берегового уступа и изменения береговой линии Езерского водохранилища (Польша) с применением НЛС проводили Kaczmarek e.a. (2019). Дифференциальный анализ разносезонных цифровых моделей местности позволил определить, что около 70% разрушения берегового уступа связано с воздействием разности температур (замораживание-оттаивание) и 20% - с воздействием волновых процессов [8]. Многие авторы нашли решения в своих работах по изучению побережья водоемов, используя метод НЛС [9-12].

Исследование микротопографической изменчивости водно-болотных угодий в северной части штата Миннесота (США) с использованием НЛС проводили Atticus e.a. (2019). Разработана новая методика количественного определения изменения вертикальной и горизонтальной микротопографической структуры водно-болотных угодий на основе высокоточного ЦМР до 1 см [13]. С помощью высокоточной ЦМР ученые Lin е.а. (2013) выполнили идентификацию разломов в горах Центральной Японии c выделением мелких тектонико-геоморфологических типов рельефа [14]. Использовали высокоточную ЦМР, построенную в результате обработки данных НЛС, для идентификации трещин в обнажениях разных литологических пород для предотвращения опасных процессов [15]. Метод НЛС широко применяется при изучении движении скал и холмов, оползней, осыпей и камнепадов в разных уголках нашей планеты.

Вдоль береговой зоны озера Алаколь встречаются участки, где активно развиваются абразионные процессы. В качестве репрезентативных на юго-западном берегу озера выбраны 4 мониторинговых участка. По морфодинамическим данным на этих участках наблюдается разрушение береговых уступов под действием абразии. С 2018 по 2019 г. проводились мониторинговые наблюдения и дополнительное изучение абразии. При изучении динамики абразии применялись картографические, полевые инструментальные (наблюдательные на ключевых участках) методы, сравнительный анализ и описание результатов. Высокоточный лазерный 3D сканер RIEGL VZ-4000 применялся для получения детальной цифровой модели местности в виде массива облаков точек с последующей обработкой полученных данных в программе RiSCAN PRO. Привязка мест стоянки сканера (станций) и ориентирных точек проводилась в системе координат проекта.

Основная цель статьи - предложить метод НЛС для мониторинга и прогнозирования побережья водоемов, где проходят абразионные процессы. Результаты исследований демонстрируют, что предлагаемый подход может быть очень полезен при составлении планов развития территорий, оценке рисков, связанных с эрозией берегов, или сохранении природных ландшафтов.

Методы исследования. Наземное лазерное сканирование - это наземная технология LIDAR («обнаружение и определение дальности света»), в которой для определения расстояния между инструментом и точкой на отражающей поверхности используется обнаружение лазерного луча без отражений по времени пролета.

Сканер фиксирует трехмерное положение точек данных в зоне съемки, собирая координаты х, y и z и интенсивность отражения каждой точки. Информация о пространственных точках результирующего облака точек может затем использоваться для получения точных цифровых моделей рельефа (ЦМР), картирования или дальнейшей обработки для моделирования отступления берега во времени. Последовательные съемки НЛС применяются для расчета разностных моделей для конкретных периодов путем сравнения последовательных облаков точек и моделей поверхности. Эта процедура обеспечивает визуализацию областей, подверженных временным изменениям поверхности, и, следовательно, позволяет осуществлять мониторинг и количественную оценку изменений (например, баланс массы).

Основные этапы применения метода наземного лазерного сканирования:

- подготовительные работы для НЛС в полевых условиях;

- НЛС по сбору данных;

- обработка полученных данных со сканера;

- анализ разновременных цифровых моделей рельефа.

Подготовительные работы для НЛС в полевых условиях. Работы начинаются с выбора ключевых участков для мониторинга наиболее подверженных абразии береговых уступов. Для максимального охвата прибором наиболее активной абразии и минимизирования не покрытых сканированием поверхностей (черные пятна) предварительно проводится изучение местности (нами были использованы ресурсы Google Earth), космических снимков и топографических карт. На подготовленные карты-схемы наносятся точки сканирования (сканпозиции), но при изменении местности или не корректных картографических материалах точки сканирования корректируются в зависимости от условий участка. Во время подготовительных работ НЛС процесса абразии на побережье оз. Алаколь со сканером Riegl VZ-4000 определились следующие критерии: минимальное расстояние до объекта - 5 м; контроль за диффузно рассеивающими целями (стены, кустарники и деревья) для получения полного набора данных о поверхности объекта; вертикальный диапазон охвата сканирования 60°; горизонтальный шаг сканирования 0,03° (Frame Res); частота измерения Meas Program 200 kHz (дальности сканирования 1-2 км); перекрывание сканов между собой 15-20%; обязательна прочная точка стояния сканера.

НЛС по сбору данных. Сканирование объектов обычно проводится при помощи нескольких сканов с различных точек стояния по отношению к изучаемому природному объекту. Съемка со сканером Riegl VZ-4000 элементов побережья проводилась сперва по пляжу для съемки самого пляжа и стены берегового уступа, второй ход по поверхности абразионного берега вдоль бровки абразионного уступа и третий ход по поверхности абразионного берега на расстоянии 100-200 м от бровки уступа (рисунок 1). При сканировании объекта с полезными данными на сканер поступают эхо или шум (переотраженные сигналы от разных поверхностей), которые мы не можем предсказать, но у нас есть возможность избавиться от ненужных данных в постобработке. Также потребовалось провести несколько лазерных сканирований с разными шаблонами сканирования (с разным разрешением) более сложных береговых уступов, чтобы сохранить наилучшее качество данных. Эти действия помогут в управлении и при фильтрации данных на этапе последующей обработки.

Обработка полученных данных со сканера. Обработка данных разделена на три компонента. Первый компонент состоит из регистрации сканирования, уравнивания точек, геопривязки, начальной фильтрации шума и удаления посторонних зон и создания единого облака точек (см. рисунок 1, а). Эти задачи обычно выполняются с использованием программного пакета RiSCAN PRO. Полученные во время полевых работ отдельные сканы соединяются между собой. Различные точки стояния сканера называются сканпозициями. Для группировки различных данных по скану данные сохраняются в структуре каталогов, принадлежащих рабочему проекту программы и отдельной сканпозиции.

Второй компонент обработки заключается в фильтрации данных от растительности, шума и посторонних не природных предметов. При сканировании природных объектов вместе с полезными данными попадают лишние эходанные (переотраженные сигналы от разных поверхностей). Эти эходанные при обработке облака точек для дальнейшего анализа создают ненужную информацию, поэтому необходимо их удаление. Для этого на созданном облаке точек оставляем только «первое» и «последнее эхо», а «прочие эха» удаляем.

При сканировании на открытой местности сканер также принимает отраженные сигналы от растительности и неприродных предметов, которые для построения цифровой модели рельефа не нужны. Поэтому при обработке данных в программном обеспечении RiSCAN PRO из облака точек, применяя опции фильтр растительности, удаляем растительный покров. Неприродные объекты удаляем вручную, вырезая каждый объект по отдельности.

После очистки от растительности и от неприродных объектов остаются только данные для построения цифрового рельефа местности (см. рисунок 1, б). Таким образом, в облаке точек остаются самые полезные точки для дальнейшей обработки.

Третий последний компонент - это создание ЦМР побережья. Для этого необходимо создание полиданных, используя фильтр данных. С его помощью, выбирая режим 2,5D растр, получаем полиданные. Далее эти полиданные будут триангулированы через алгоритм триангуляции Делоне.

в

Рисунок 1 - Основные этапы создания высокоточного ЦМР побережья рекреационной зоны с. Акши: а - созданное единое облако точек; б - фрагмент берега после очистки от растительности и посторонних неприродных предметов; в - фрагмент ЦМР берега

Триангуляция Делоне вычисляется с 2,5D координат вершин, преобразованных в референсную плоскость. Этот метод калькуляции использует поверхность рельефа на момент съемки (триангуляции) для калькуляции объема. Каждый треугольник сети вместе с референсной плоскостью формирует треугольную призму, сумма всех объемов призм - общие объемы объекта. В результате триангуляции данных получаем высокоточный ЦМР абразионного берега для дальнейшего анализа (см. рисунок 1, б). Созданные модели были проверены в ходе полевого осмотра. ЦМР абразионного берега можно сравнить с реальной поверхностью.

Анализ разновременных цифровых моделей рельефа. В программном обеспечении RiSCAN PRO можно высчитывать объемы объектов из ЦМР, также можно получить плановый вид, поперечные и продольные профили за разные периоды в одном изображении. Для выявления объема переработанного берега за определенный период необходимо подготовить ЦМР за разные периоды. Вызывая в один проект ЦМР разных лет и используя опцию «расчет объема», получаем количественные данные в единице м3. Объем рассчитывается между плоскостью и результирующей поверхностью. В проекте RiSCAN PRO, включая инструмент клеточный масштаб, можно получить количественные данные по изменению высоты, ширины и длины объекта. Последовательность в работе с разновременными ЦМР для выявления изменений берега показаны на рисунке 2. Продукты, полученные из данных облака точек, дают возможность проанализировать изменения объема различных изменений поверхности, а полученная ЦМР используется во многих исследованиях, включая геоморфологические.

Визуальное определение отступление берега по ЦМР

за разные периоды наблюдения

* 2011_унг

2019 г. —р. Л •♦—2018 г.

а

в

Рисунок 2 - Анализ разновременных ЦМР: а - визуальное определение отступления за разные периоды наблюдения; б - определение динамики абразионного процесса; в - вычисление объема переработанного грунта

Результаты исследования. Количественные показатели динамики переработки денудационных берегов были получены в результате обработки и анализа данных лазерной съемки за 3 года (2018-2020). Имеющийся временной интервал позволил вычислить скорость и объем абразионного процесса за один полный календарный год. Камеральные работы проводились в специальном программном обеспечении RiSCAN PRO. Результаты инструментальной съемки по реперам соответствуют количественным данным лазерной съемки. За результат динамики переработки берегов в программном обеспечении бралось расстояние между береговыми уступами разных лет. Показатели объема определили вычислением плоскости между двумя разновременными поверхностями берегового клифа цифровой модели рельефа.

Мониторинговый участок «Малая Коса» (левый берег рекреационной зоны с. Акши) охватывает 200 м вдоль берегового участка. Средняя динамика отступания берега за два года (20182020) составила 3,6 м при высоте берегового уступа 3,5-4,4 м. Для наглядной визуализации динамики переработки берегов на данном участке построили 2 поперечных профиля (рисунок 3). Скорость отступания берегов на первом профиле составила 10,5 м/год (h уступа - 4,4 м), на 2-м поперечном профиле - 6,8 м/год (h уступа 4,2 м).

в г

Рисунок 3 - Мониторинговый участок «Малая Коса» (левый берег рекреационной зоны Акши): а - космоснимок участка; б - измерение ЛНС на исследуемом участке; в - отступание абразионного уступа в точке 1; г - отступание абразионного уступа в точке 2 (таблица 1). Средняя динамика отступания берега за два года (2018-2020)

составила от 3,6 м при высоте берегового уступа 3,5-4,4 м

Мониторинговый участок коса «Малый Балгын» (левый берег рекреационной зоны Акши) занимает 150 м вдоль берегового участка. Динамика отступания берега за два года (2018-2020) составила от 2 до 3,2 м при высоте берегового уступа 2,2-3,7 м. Значения динамики получены на основе анализа двух поперечных профилей берегового уступа (рисунок 4). На данном участке мониторинг показал самые низкие значения скорости переработки берегового уступа.

Мониторинговый участок южнее основания косы «Белкудык» (левый берег рекреационной зоны Акши) включает 100 м вдольберегового побережья. Динамика отступания берега за два года (2018-2020) составила от 14,7 до 22,9 м при высоте берегового уступа 1,2-2,5 м. Динамика определена в результате построения и анализа двух поперечных профилей. Значения динамики переработки берега выделяют этот участок как самый уязвимый к современным процессам берего-образования побережья рекреационной зоны Акши.

Мониторинговый участок «с. Коктума» занимает 600 м вдольберегового побережья селитебных земель с. Коктума. Динамика отступания берега за два года (2018-2020) составила от 4 до 5,8 м при высоте берегового уступа 7,2-9 м. Значения вычислены по данным шести поперечных профилей, построенных с интервалом 100 м.

Полученные скорости отступания берегов позволили обозначить следующие закономерности рельефообразования побережья рекреационной зоны сел Акши и Коктума:

- динамика берегов усиливается на подветренных участках, завернутых оконечностей кос, о чем свидетельствуют сформировавшиеся дугообразные формы берега;

- интенсивность эрозии берегов зависит от относительных высот берегового уступа: чем ниже относительная высота, тем интенсивнее переработка берегов;

- наряду с отступанием денудационных берегов наблюдаются изменение форм аккумулятивного рельефа, рост наносов в концевой части прибрежных кос;

- скорости отступания берега от 1,3 до 7,4 м/год определяют абразионные процессы как ведущие в рельефообразовании побережья (таблица 1).

Рисунок 4 - Мониторинговый участок коса «Малый Балгын» (левый берег рекреационной зоны с. Акши): а - космоснимок участка; б - измерение ЛНС на исследуемом участке; в - отступание абразионного уступа в точке 1; г - отступание абразионного уступа в точке 2 (таблица 1). Динамика отступания берега за два года (2018-2020) составила от 2 до 3,2 м при высоте берегового уступа 2,2-3,7 м

Таблица 1 - Мониторинг динамики переработки берегов оз. Алаколь на ключевых участках за 1 год (2018-2020 гг.)

Ключевой участок мониторинга Координаты № профиля Область покрытия, м Высота уступа, м Динамика абразии, м Высота уступа, м Динамика абразии, м Динамика абразии, м Средняя динамика абразии, м

2018-2019 гг. 2019-2020 гг. 2018-2020 гг. 2018-2020 гг.

1. «Малая Коса», с. Акши 45°58'35,61" 81°31'33,14" 1 0 - 100 3,7 5,5 4,4 5 10,5 5,25

2 101 - 200 4,4 6,0 4,2 0,8 6,8 2

2. Коса «Малый алгын», с. Акши 45°58'10,83" 81°32'23,68" 1 0 -100 3,7 2,0 3,5 1,2 3,2 2

2 101-200 2,2 1,3 2,7 0,7 2 1

3. Основание косы «Бел-кудык» 45°59'00,25" 81°31'15,87" 1 0 - 100 1,2 7,2 1 7,5 14,7 7,35

2 101 - 200 1,5 7,4 2,5 15,5 22,9 11,45

4. «с. Кок-тума» 45°51'39,25" 81°39'38,83" 1 0 -100 9,0 2,0 8,5 1,2 3,2 2

2 101-200 8,7 1,3 8,6 2,7 4 2

3 201-300 8,7 4,0 7,8 1,8 5,8 2,9

4 301-400 8,0 3,0 7,0 1,9 4,9 2,45

5 401-500 7,7 3,3 7,5 2,9 6,2 3,1

6 501-600 7,2 4,0 5,0 1,5 5,5 2,75

Количественные характеристики объема переработанного грунта берегового уступа по результатам двухлетнего мониторинга (2018-2020 гг.) представлены в таблице 2. Расчет плоскости между двумя цифровыми моделями местности проводился на определенных репрезентативных отрезках вдольберегового побережья длиной от 100 до 200 м. Этот подход позволяет сохранить высокую точность расчетов при проведении геопространственных вычислений в программном обеспечении, уменьшает время обработки исходных данных. Показательные результаты вычислений на определенных участках приемлемы для интерполяции на соседние береговые уступы с идентичными природными условиями. Мониторинговый участок коса «Малый Балгын» (левый берег рекреационной зоны Акши) включает 150 м вдольберегового участка побережья. Объем эрозии берегового клифа составил 4084 м3 при высоте берегового уступа 2,2-3,7 м. Мониторинговый участок «Малая Коса» (левый берег рекреационной зоны Акши) имеет длину охвата 200 м вдольберегового участка побережья. Объем переработки берегов составил 4445 м3, высота уступа - 3,7-4,4 м. Участок южнее основания косы «Белкудык» (левый берег рекреационной зоны Акши) занимает 100 м вдольберегового побережья. Объем переработанной аккумулятивной массы берегового уступа составил 6281 м3 при высоте уступа 1-2,5 м. Для расчета объема мониторингового участка «с. Коктума» использовали 200 м вдольберегового побережья селитебных земель. Объем переработанного грунта берегового клифа составил 9159 м3 при высоте уступа 59 м.

Таблица 2 - Количественные характеристики объема переработанного грунта берегового уступа по результатам двухлетнего мониторинга (2018-2020 гг.)

Ключевой участок мониторинга Координаты Область наблюдения, м Объем денудации уступа, м3 Средний объем денудации уступа, м3

2018-2019 гг. 2019-2020 гг. 2018-2020 гг. 2018-2020 гг.

1. «Малая Коса», с. Акши 45°58'35,61" 81°31'33,14" 200 3394 1051 4445 2222,5

2. Коса «Малый Балгын», с. Акши 45°58'10,83" 81°32'23,68" 150 2794 1290 4084 2042

3. Основание косы «Белкудык» 45°59'00,25" 81°31'15,87" 100 2199 4082 6281 3140,5

4. «с. Коктума» 45°51'39,25" 81°39'38,83" 200 5536 3623 9159 4579,5

Полученные количественные параметры объемов переработки берегов исследуемых мониторинговых участков за 2 года позволили определить, что в среднем эрозии подвергается более 2996 м3 грунта берегового клифа на каждые 100 м берега независимо от высоты уступа. Общий объем переработанной массы для схожих условий можно определить путем простых математических расчетов. Следует учесть разнообразность природных условий денудационных побережий, где объемы переработки могут значительно отличаться. Необходимо продолжить мониторинговые исследования побережья с применением лазерного сканера, увеличить временной ряд наблюдений, которые позволят обозначить пространственно-временные закономерности развития переработки денудационных берегов оз. Алаколь.

Выводы. Используя данные НЛС, мы создали ЦМР абразионного берега озера Алаколь по отдельным мониторинговым участкам. Результаты показывают, что с подходящими параметрами данный метод может быстро идентифицировать наиболее активно отступающие абразионные уступы побережья оз. Алаколь и получить количественные данные. На основе анализа серии ЦМР за 2018-2020 гг. (юго-западный берег озера Алаколь), полученных с использованием метода НЛС, подсчитаны средняя скорость отступления берега - 3,69 м/год и переработанный объем грунтовых масс берегового уступа - 2996 м3/100 м. Аналитические мероприятия, основанные на методе конечных разностей, были выполнены для количественной оценки объема перемещаемого материала и отступления абразионного берега.

Во время визуального изучения береговой линии на полученных ЦМР за разные годы обнаружены изменения морфометрии косы и увеличение поступления наносов, т.е. усиления процесса аккумуляции. В дальнейшем, применяя метод НЛС, можно получить количественные данные по объемам наносов и построить отдельно цифровую модель косы для мониторинга.

Основным фактором отступания берега и переработки уступов является повышение уровня воды в озере в комплексе с сильными ветрами и осадками. При подъёме уровня озера затапливаются пляжи, низкие берега, пойменные террасы и косы. Сильные ветры поднимают и вызывают разрушительные волны, которые в свою очередь разрушают уступы побережья. При сезонных обильных осадках дождевая вода, попадая в трещины глинистых уступов, разрушает их основу и отрывает грунтовые массы под воздействием гравитационной силы от монолитного состояния уступа. Эти факторы являются основными причинами развития процесса абразии на побережье оз. Алаколь. Повышение уровня воды в озере отражается на геоморфологии побережья.

Системное и долгосрочное использование метода НЛС при изучении рельефообразующих процессов побережья оз. Алаколь дает возможность контролировать опасности абразионных процессов, улучшать последующую характеристику деятельности и морфометрии побережья по мере их развития. Исследования предоставляют надежные данные для местных органов власти, отвечающих за оценку опасности абразионного процесса, а также планирование и реализацию адаптивных мероприятий по сдерживанию отступания берега озера.

Предложенный метод НЛС-мониторинга и прогнозирования дает возможность использовать его не только применительно к побережьям водоемов, но и к другим типам скал и холмов для лучшего понимания явлений, связанных с различными процессами рельефообразования, таких, как оползни, осыпи и др.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 13. Центральный и Южный Казахстан. Вып. 2 / Под ред. Г. Г. Доброу-мова, З. М. Кожина. - Л.: Гидрометеорологическое издательство, 1970. - С. 388-507.

[2] Алакольская впадина и её озера / Под ред. Н. Н. Пальгова, Г. З. Поповой, И. С. Соседова, П. П. Филонец. -Алма-Ата, 1965. - 308 с.

[3] Казанская Е.А. Современная динамика берегов озер Алаколь и Жаланашколь // Геоморфология. - 1973. - № 3. -С. 56-64.

[4] Коровин В.И., Курдин Р.Д. Уровенный режим Алакольских озер // Вопросы географии Казахстана. - Алма-Ата, 1965. - № 12.

[5] Telling J., Lyda A., Hartzell P., Glennie C. Earth-Science Review of Earth science research using terrestrial laser scanning. Rev. 169, 2017, 35-68. https://doi.Org/10.1016/j.earscirev. 2017.04.007

[6] Dirk Kuhn, Steffen Prüfer, Coastal cliff monitoring and analysis of mass wasting processes with the application of terrestrial laser scanning: A case study of Rügen, Germany. Geomorphology, 213 (2014), 153-165.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

[7] Poulton, Catherine V.L.; Lee Jonathan; Hobbs Peter; Jones Lee; Hall Michael. 2006. Preliminary investigation into monitoring coastal erosion using terrestrial laser scanning: case study at Happisburgh, Norfolk. Bulletin of the Geological Society of Norfolk, No. 56, 45-64.

[8] Halina Kaczmarek, Sebastian Tyszkowski, Arkadiusz Bartczak, Mateusz Kramkowski, 2019. Katarzyna Wasak. The role of freeze-thaw action in dam reservoir cliff degradation assessed by terrestrial laser scanning: A case study of Jeziorsko Reservoir (central Poland). Science of the Total Environment, 690 (2019), 1140-1150, DOI: 10.1016/j.scitotenv.2019.07.032

[9] Kramarska R., Frydel J., Jeglinski W. Terrestrial laser scanning application for coastal geodynamics assessment: the case of Jastrzebia Göra cliff. Biuletyn Panstwowego Instytutu Geologicznego, 2011, vol. 446, p. 101-108.

[10] Somma R., et al. Application of Laser Scanning for Monitoring Coastal Cliff Instability in the Pozzuoli Bay, Coroglio Site, Posillipo Hill, Naples. Engineering Geology for Society and Territory, vol 5: Urban Geology, Sustainable Planning and Landscape Exploitation, 2015, p. 687- 690. D0I:10.1007/978-3-319-09048-1_133

[11] Suchocki C. Application of Terrestrial Laser Scanner in Cliff Shores Monitoring (in Polish). Rocznik Ochrona Srodowiska, 2009, vol. 11, p. 715-725, part 1.

[12] Burdziakowski P., et al. Maritime laser scanning as the source for spatial data. Polish Maritime Research, 2015,vol. 22, iss. 4, p. 9-14. D0I:10.1515/pomr-2015-0064

[13] Atticus E.L. Stovalla, Jacob S. Diamondc, Robert A. Slesakd, Daniel L. McLaughlinc, Hank Shugart. 2019. Quantifying wetland microtopography with terrestrial laser scanning. Remote Sensing of Environment, 232, (2019), 111271. https://doi.org/10.1016/j.rse.2019.111271

[14] Lin Z., Kaneda H., Mukoyama S., Asada N., Chiba T., 2013. Detection of subtle tectonicegeomorphic features in densely forested mountains by very high resolution airborne LiDAR survey. Geomorphology 182 (0), 104-115.

[15] Ting Cao, Ancheng Xiao, Lei Wua, Liguang Maoc, 2017. Automatic fracture detection based on Terrestrial Laser Scanning data: A new method and case study. Computers & Geosciences.Volume 106, September 2017, Pages 209-216, https://doi.org/10.1016/j.cageo. 2017.04.003

REFERENCES

[1] Editors G.G. Dobroumova, Z.M. Kozhina, 1970, USSR Surface Water Resources, Vol. 13. Central and Southern Kazakhstan, Issue 2, 388-507.

[2] Editorial board of N.N. Palgov, G.Z. Popova, I.S. Neighbors, P.P. Filonets, 1965. Alakol depression and its lakes, 308 p.

[3] Kazanskaya E.A., 1973. Modern dynamics of the shores of lakes Alakol and Zhalanashkol. Geomorphology, 3 (1973), 56-64.

[4] Korovin V.I., Kurdin R.D. 1965. Level regime of Alakol lakes. Questions of geography of Kazakhstan, 12 (1965).

[5] Telling J., Lyda A., Hartzell P., Glennie C. Earth-Science Review of Earth science research using terrestrial laser scanning. Rev. 169, 2017, 35-68. https://doi.org/10.10167j.earscirev. 2017.04.007