CC BY
167
УДК 556.5(1/9) ВАК 25.00.27
СТРУКТУРНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ МОРФОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БАССЕЙНОВ РЕК ПРОВИНЦИИ МАНАБИ (ЭКВАДОР)
Антонио Фермин Кампос Седеньо1, Е.К. Синиченко1, И.И. Грицук1'2
'Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419
Институт водных проблем РАН ул. Губкина, 3, Москва, Россия, 119333
В статье представлен анализ нескольких методов структурного подхода для расчета морфо-метрических и гидрологических характеристик речных сетей и водосборных бассейнов, на которых базируется их гидрографическое районирование. На основе рассмотренных методов оценивается индекс компактности и густота речных сетей для бассейнов рек провинции Манаби (Эквадор).
Ключевые слова: гидрология, водосборный бассейн, речные сети, индекс компактности, густота речных сетей.
Методы классификации речных систем и водосборных бассейнов. Водосборные бассейны изучались с древних времен, но научный подход с применением системного анализа для оценки запасов воды в речной сети впервые был применен в начале ХХ в., когда в 1914 г. Гарри Гравелюс, немецкий географ и климатолог, ввел систему для классификации водных речных сетей. В рамках этой системы он предложил, что главная река должна иметь порядок 1. Каждый ответвление от реки 1-го порядка, классифицируется 2-м порядком. На рис. 1 показаны речная сеть и водосборные бассейны Эквадора. Притоки ко 2-му порядку классифицируются 3-м порядком и т.д. (рис. 2).
Рис. 1. Речная сеть и водосборные бассейны
Позднее был предложен ряд примерно равноценных моделей строения речной сети. В основе всех моделей лежит деление сети по ярусам или порядкам при-точности. За водотоки первого порядка принимают элементарные неразветвленные русла, получающие воду непосредственно со склонов. Водотоки первого порядка, сливаясь, дают начало руслам второго порядка, слияния последних образуют русла третьего порядка и т.д. Считают, что русла одного порядка имеют близкие гидравлические, гидрологические и морфометрические характеристики, которые взаимосвязаны и отражают особенности водотоков (рек) данного порядка. Водоток п-го порядка есть элемент системы — некоторый отрезок общей протяженности реки.
Роберт Хортон, американский ученый и эколог, в 1945 г. предложил дихотомическую схему (обратный порядок) системных компонентов речной сети [7]. По этой системе автор принимает за длину реки каждого данного класса ее протяженность от слияния с другой рекой этого же или более высокого класса вверх до истока (рис. 3) [1].
В отличие от Хортона, в 1952 г. русский ученый Н.А. Ржаницын [1; 2] предложил схему, являющуюся как бы промежуточной между монотомической и дихотомической и учитывающую существенное влияние на изменение порядка реки непосредственно притоков первого порядка; он определяет длину потока каждого данного порядка только как отрезок между потоками смежных классов. Он считал, что два притока, сливаясь вместе, образуют третью реку, которая по своим характеристикам является совершенно новым русловым истоком и не может быть продолжением одной из старых (рис. 4) [3]. Когда поток низкого порядка достигает потока высшего порядка, он не влияет на его текущий порядок. Метод Н.А. Ржа-ницына значительно облегчает кодирование речных сетей. В предполагаемом исследовании водного режима рек провинции Монаби (Эквадор), имеющем гидро-
Рис. 2. Монотомическая схема изменения порядков реки по Гравелюсу (1914)
логическое направление, будет принята схема порядков потоков Н.А. Ржаницына, как наиболее полно отражающая системный принцип гидрологической структуры речной сети.
Рис. 3. Система обозначения дренажной сети Рис. 4. Система обозначения дренажной сети по Хортону (1945) по Ржаницыну (1952)
Следует подчеркнуть, что под порядковым номером потока понимается не просто цифровое обозначение участка реки, а речной поток, обладающий определенными физическими характеристиками, определенным комплексом этих характеристик. Именно эти взаимосвязанные между собой характеристики в их комплексе и определяю данный участок реки.
В 1965 г. появилась система Адриана Шейдеггера (рис. 5). Для нумерации потоков он выбрал только четные цифры. Первое наименование — порядок «2» для участков, где начинается поток, следующий порядок — «4», на слиянии двух потоков порядка «2»; следующие порядки были получены как сумма порядков сливающихся рек вверх по течению. В 1966 г. возникла модель Шрове, которая, по сути, была та же, что и схема Шейдеггера, но нумерация потоков в ней начинается с порядка «1» (рис. 6).
Рис. 5. Система обозначения дренажной сети Рис. 6. Система обозначения дренажной сети по Шейдеггеру (1965) по Шрове (1966)
Формулы для числа водотоков:
по Р. Хортону:
Nn = KГ1,
где Nn — число водотоков n-го порядка в речной системе m-го порядка; K3 — гидрографический параметр (коэффициент бифуркации);
по А. Шейдеггерду:
n = 1 + log2 N1 = 1 + 3,32 • log N1;
для равнинных рек степной и лесостепной зон среднее значение K3 = 2,80;
по Н.А. Ржаницыну: математическое выражение, отражающее полученные закономерности изменения числа потоков с изменением порядка потока:
n = n • к[N
nNa n1 Kn ,
где nN — число потоков Na порядка в речной сети N порядка; Na — порядок потока; N — порядок речной сети; щ — число потоков Na порядка в речной сети порядка Na + 1;
величина n1 приближенно может быть определена формулой
n1 = 1 + 0,077 [15-(Na +1)];
по А.Н. Бефани:
= K3m+1-n + K3 - 2 n = 2(K3 -1) '
Одним из последних методов для классификации речных систем водосборов является метод, предложенный бразильским ученым Отто Пфафстеттером в 1989 г. Этот метод был принят в качестве международного стандарта в 1997 г. Геологической службой США (USGS) [5]. По этому методу классифицируются водосборные площади водотоков речных систем с присвоением им определенного международного идентификатора (id).
Процесс ранжирования площадей водосбора независимо от их размеров подразделяется максимум на десять частей. Для этого необходимо идентифицировать главную реку и ее четыре самых крупных притока. Эти реки образовывают четыре водосбора и именуются бассейнами, они кодируются вверх по течению с четными числами (2, 4, 6 и 8). Оставшиеся притоки группируются и называются интербассейнами (межбассейнами) с кодировкой нечетными числами (1, 3, 5, 7 и 9), порядок наименования тот же, что и для бассейнов, т.е. от устья до верховья. Если существуют в водосборе зоны озерного типа, самую большую из них кодируют числом нуль (0) — зоны этого класса именуются внутренними бассейнами (рис. 7). По этой системе название водосбора совпадает с названием главной реки.
Рис. 7. Система обозначения дренажной сети по Пфафстеттеру (1989)
Оценка морфометрических параметров гидрографической сети провинции Манаби. Оценка информации проводилась по картам, в формате шейп (.shp) (рис. 8, 9), разработанных Военно-географическим институтом Эквадора (INSTITUTO GEOGRÁFICO MILITAR DEL ECUADOR) [4], оцифрованных в масштабе 1 : 50 000, и классификацией бассейнов гидрографической демаркации Манаби (таблица), предложенной в соответствии с методологией Пфафстеттера на уровне 5, разработаной Национальным секретариатом по воде (SECRETARIA NACIONAL DEL AGUA) [6].
Рис. 8. Водосборные бассейны гидрографической демаркации Манаби
500000
650000
500000 550000 600000 650000
500000 550000 600000 650000
Рис. 9. Речная сеть гидрографической демаркации Манаби
Таблица
Морфометрические параметры водосборных бассейнов гидрографической демаркации Манаби
№ Код Периметр Площадь Число Общая дли- Показатель Густота
бассейна бассейна бассейна потоков на потоков Гравелюса речной
Р, км . 2 А, км п Ьэ, км 1с, км/км сети О, км/км2
1 15134 123,74 554,45 395 444,67 1,47 0,80
2 15135 45,32 96,10 59 73,72 1,29 0,77
3 15136 98,44 296,30 204 234,10 1,60 0,79
4 15137 132,44 457,26 300 358,13 1,73 0,78
5 15138 89,13 311,34 242 277,10 1,41 0,89
6 15139 180,16 1 046,42 683 886,88 1,56 0,85
7 15141 49,87 75,51 54 71,75 1,61 0,95
8 15142 62,37 185,46 132 149,90 1,28 0,81
9 15143 49,89 96,65 79 90,31 1,42 0,93
10 15144 108,33 467,14 351 361,79 1,40 0,77
11 15145 102,59 441,38 331 354,76 1,37 0,80
12 15146 79,60 293,06 207 209,63 1,30 0,72
13 15147 33,95 56,76 39 46,42 1,26 0,82
14 15148 50,53 106,09 81 80,95 1,37 0,76
15 15149 114,25 358,90 259 280,55 1,69 0,78
16 15151 7,56 1,45 1 0,51 1,76 0,35
17 15152 41,16 87,78 77 71,48 1,23 0,81
18 15153 12,52 5,48 3 1,82 1,50 0,33
19 15154 41,52 51,62 38 36,96 1,62 0,72
20 15155 23,64 29,45 8 21,33 1,22 0,72
21 15156 34,13 38,57 17 26,68 1,54 0,69
22 15158 47,24 96,47 59 68,98 1,35 0,72
23 15159 52,10 86,39 49 54,47 1,57 0,63
24 15161 55,23 157,97 83 101,82 1,23 0,64
25 15162 135,26 847,72 629 632,37 1,30 0,75
26 15163 60,37 110,63 93 106,10 1,61 0,96
27 15164 17,46 15,15 5 14,33 1,26 0,95
28 15165 67,97 180,93 124 163,69 1,41 0,90
29 15166 74,06 214,25 162 156,77 1,42 0,73
30 15167 25,62 25,37 30 36,84 1,42 1,45
31 15168 84,89 239,22 182 187,09 1,54 0,78
32 15169 129,13 546,53 377 406,57 1,55 0,74
33 15171 34,61 55,38 36 39,39 1,30 0,71
34 15172 23,46 30,01 15 24,18 1,20 0,81
35 15173 27,90 39,14 23 30,21 1,25 0,77
36 15174 91,88 351,02 264 287,70 1,37 0,82
37 15175 21,44 14,40 7 7,59 1,58 0,53
38 15176 72,82 251,59 145 200,94 1,29 0,80
39 15177 71,41 31,55 7 6,79 3,56 0,22
40 15178 30,03 41,04 31 36,64 1,31 0,89
41 15179 45,46 17,10 9 11,79 3,08 0,69
42 15181 55,32 113,88 84 102,57 1,45 0,90
43 15182 93,93 243,75 169 186,87 1,68 0,77
44 15183 36,17 62,70 40 54,56 1,28 0,87
45 15184 47,86 116,10 89 82,63 1,24 0,71
46 15185 60,83 205,79 152 166,08 1,19 0,81
47 15186 36,03 73,98 56 55,80 1,17 0,75
48 15187 11,01 6,92 7 6,80 1,17 0,98
49 15188 63,03 237,40 209 185,57 1,15 0,78
50 15189 82,36 311,55 248 243,27 1,31 0,78
51 15191 79,46 213,52 145 164,32 1,52 0,77
Окончание
№ Код бассейна Периметр бассейна P, км Площадь бассейна . 2 A, км Число потоков n Общая длина потоков Ls, км Показатель Гравелюса Ic, км/км Густота речной сети D, км/км2
52 15192 158,88 647,97 476 488,64 1,75 0,75
53 15193 118,22 199,17 129 144,33 2,35 0,72
54 15194 83,93 249,32 176 201,71 1,49 0,81
55 15195 33,91 42,21 30 38,78 1,46 0,92
56 15196 91,27 343,95 295 270,03 1,38 0,79
ИТОГ 11 477,26 8 195,00 9 045,66
***
Все системы, предложенные для классификации водосборных бассейнов — Гравелюса, Хортона, Страхлера, Ржаницына, Шейдегера, Шрове, Пфафстеттера и других авторов, очень важны. С одной стороны, они логически предоставляют решение проблем своего времени, а с другой — служат основой для разработки последующих систем. Тем не менее в связи с простотой применения метод Н.А. Ржаницына наиболее широко применяется, как имеющий гидрологические направление и наиболее полно отражающий системный принцип гидрологической структуры речной сети.
Предлагаемая система Пфафстеттера распространяется по всему миру и в настоящее время принята большинством стран Латинской Америки. Новизна этой системы заключается в том, что каждый речных сетей, но и предоставляет информацию об их географическом положении.
Гидрографическая демаркация Манаби состоит из 56 водосборных бассейнов, определенных на уровне 5 в соответствии с методологией Пфафстеттера. В целом, общая площадь демаркации составляет 11 477,26 км2 (рис. 8). Речная система демаркации состоит из 8195,00 потоков, общая длина которых примерно составляет 9045,66 км.
Индекс компактности водосборов колеблется между 1,15 и 3,56, что указывает на разнообразие форм водосборных бассейнов.
Густота речных сетей колеблется в пределах от 0,22 до 1,45 км/км2, что характеризует их неравномерность на водосборных бассейнах.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Орлов В.Г. Основы физической гидрографии. — Ленинград: Ленинградский гидрометеорологический институт, 1979. [Orlov V.G. Osnovy fizicheskoj gidrografii. — Leningrad: Leningradskij gidrometeorologicheskij institut, 1979.]
[2] Ржаницын Н.А. Морфологические и гидрологические закономер-ности строения речной сети. — Ленинград: Гидрометеоиздат, 1960. [Rzhanicyn N.A. Morfologicheskie i gidrolo-gicheskie zakonomernosti stroeniya rechnoj seti. — Leningrad: Gidrometeoizdat, 1960.]
[3] Ржаницын Н.А. Руслоформирующие процессы естественных рек. — Л.: Гидрометиздат, 1985. — 300 с. [Rzhanicyn N.A. Rusloformiruyushhie processy estestvennyx rek. — L.: Gidro-metizdat, 1985. — 300 s.]
[4] Синиченко Е.К. Характеристики водного режима малых рек и по-токов // Сб. трудов «Результаты исследования речных русел и гидротехнических сооружений». — М.: УДН, 1983.— С. 77—86. [Sinichenko E.K. Xarakteristiki vodnogo rezhima malyx rek i potokov // Sb. trudov «Rezultaty issledovaniya rechnyx rusel i gidrotexnicheskix sooruzhenij». — M.: UDN, 1983. — S. 77—86.]
[5] Instituto Geografico Militar, 'Cartografía del Ecuador', Instituto Geografico Militar del Ecuador, (2014). — URL: <http://www.geoportaligm.gob.ec/portal/index.php/cartografia-de-libre-acceso-escala-50k/> [Accessed June 3th 2014].
[6] Pfafstetter O. Classificagao de bacias hidrográficas — Metodología de codificado (Rio de Janeiro, RJ: Departamento Nacional de Obras de Saneamento (DNOS), 1989).
[6] Secretaria Nacional del Agua, 'Delimitación y codificación de unidades hidrográficas del Ecuador. Metodología Pfafstetter', (Quito: Secretaria Na-cional del Agua, 2009).
[7] Strahler A.N. Dynamic basis of geomorphology (Geological Society of America, 1952).
MORPHOMETRIC CHARACTERIZATION PARAMETERS OF RIVER BASIN OF MANABI (ECUADOR)
Antonio Fermín Campos Cedeno (Ecuador)1, E.K. Sinichenko1, I.I. Gritsuk1,2
'Peoples' Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419
2Water Problems Institute Russian Academy of Science Gubkina str., 3, Moscow, Russia, 119333
This paper presents an analysis of several methods so far developed to characterize the drainage networks of watersheds, indicating their relevant properties. On the other hand, is elaborated an extract of certain laws, on which the watershed morphometry is based to characterize the drainage potential of watersheds. Finally, based on the proposed framework, is performed the estimation of compactness index and river density of Manabi watersheds, as important input to the design of hydraulic works in the province of Manabi and Ecuador related to the management of watersheds.
Key words: hydrology, drainage basin, basin laws, compactness index, river density.
