2 індикаційне значення динаміки морфодинаміки й мережі рельєфу для визначення особливостей функціонування водозбору
| Вид материала | Документы |
- 2 властивості структурної мережі рельєфу, методи їх дослідження І моделювання, 2670.53kb.
- Стан водного режиму річки визначається як інтегрований результат взаємодії елементів, 103.83kb.
- В світової арени, можна зробити висновок про відносне зменшення ролі національних держав, 192.25kb.
- Порівняльний аналіз динаміки виробництва сталі у регіонах світу завдання, 643.19kb.
- Робоча навчальна програма з біології основами генетики для студентів заочної форми, 129.71kb.
- Формат опису модуля, 18.42kb.
- Лист завдання, 301.64kb.
- Дипломного проекту, 336.13kb.
- Програма розвитку національної мережі міжнародних транспортних коридорів в Україні, 393.67kb.
- Тема Потенціал національної економіки, 3014.4kb.
2.4.6. Оцінки водної ерозії по геоінформаційних моделях водозборів
В наших багатьох попередніх публікаціях ми не раз підкреслювали й намагалися доводити, що соціально-економічні проблеми, які є більш ніж просто актуальними для України, такі що спричинені несприятливими природними явищами й екзогенними процесами, було би первинно легше за все визначити й проаналізувати саме в межах водозбірних басейнів [47, 53, 54, 108, 139-141, 151, 153, 171, 226, 165, 266, 280, 281]. Маються на увазі, наприклад, поширення зон безпосереднього затоплення під час весняних поводей, а в окремих регіонах нашої держави - й літніх дощових паводків, але, перш за все, актуальність дослідження вказаних процесів й явищ обумовлюється тим соціально-економічним збитком, який спричиняють процеси водної ерозії.
Просторовий гідролого-геоморфологічний аналіз для дослідження ерозійних процесів – поверхнево-схилового змиву й руслової ерозії. Морфологія поверхні й мережа рельєфу водозбору, з одного боку, і його гідрологічний режим, із другого, дуже складно зв'язані між собою саме через ерозійно-акумулятивні процеси. Ця обставина, на що ми вже неодноразово звертали увагу в наших публікаціях, і відображається в функціонуванні й розвитку річкового басейну, якому притаманна характерна чутливість його гідролого-геоморфологічної системи.
Оскільки час загасання інтенсивного розвитку схилових процесів багато в чому залежить від часового масштабу кліматичних змін, можна припустити, що форма схилів у водозборі в більшій мірі є наслідком гідрологічних перетворень давнього минулого, ніж процесів, що відбуваються у дійсний час, тобто сучасних поверхнево-схилового змиву та руслової ерозії.
Однак, ми вже неодноразово підкреслювали, що сучасна морфологія флювіального рельєфу та його мережі дуже часто виконують роль домінуючого фактора напрямків плину – маршрутизації поверхневого стоку - й можуть бути використані як ключ до розуміння й прогнозування гідрологічного режиму сьогодення [54, 266, 280, 281]. Оцінка ерозійних процесів як єдина об’єктивна характеристика динаміки сучасної морфології рельєфу, таким чином, повинна бути невід’ємною складовою просторового гідролого-геоморфологічного аналізу, деякі елементи методології якого вже подавалися в попередніх розділах й підрозділах цієї книги.
Раніше нами вже обговорювалися дослідження співвідношень між морфологією рельєфу та напрямком плину і його генерацією, включаючи й методи моделювання пікових рідких витрат в річкових руслах й моделювання зон затоплення [51, 52, 282]. Розрахунки твердих витрат із водозборів мають стати необхідним доповненням вказаних досліджень.
В наших попередніх дослідженнях неодноразово доводилася ключова роль мережі рельєфу в функціонуванні гідролого-геоморфологічної системи водозбору, в аспекті чого є цілком зрозумілим первинне дослідження саме руслової ерозії. Однак, за даними деяких літературних джерел на усі види руслової ерозії в басейні, що знаходиться в степовій-лісостеповій зонах, приходиться лише від 9 до 20 % загального обсягу матеріалу, який еродується, включаючи долинно-балкову і яружну руслову ерозію плюс поверхнево-схиловий змив [221].
Об’єми й інтенсивність поверхневого твердого стоку добре характеризуються морфологією міжбалкового простору, типом ґрунтів, корінною породою і характером випадання річної норми опадів, а оцінка поверхневого змиву вважається достатньою для визначення ерозійної небезпеки району, що свого часу детально доводилося нами при типізації й типологічному районуванні по величинах поверхнево-схилового змину території басейну р. Оскіл [185]. В цьому підрозділі ми, однак, зупинимося на можливості геоінформаційного моделювання й дослідження через ПГГА для моделювання перехідних між схиловим змивом й русловою ерозією процесів.
Параметри геоінформаційної моделі для розрахунків водної ерозії на водозборах. Підвалини методики розрахунку поверхнево-схилового змиву, яка викладена у підрозділі, були розроблені ще на початковій стадії становлення комп’ютерного моделювання водозборів, що відповідним чином відображалося в авторських публікаціях того періоду [139-141, 185].
Можливості створення сучасних геоінформаційних моделей річкових і яружно-балкових басейнів дають змогу формалізації та імплементації ерозійних моделей із значно ширшого методологічного ряду.
В якості останньої для запровадження альтернативного підходу до моделювання водної ерозії нами була обрана WEPP-модель (Water Erosion Prediction Project – англ.) – проект міністерства сільського господарства США. Головні причини обрання саме цього модельного прикладу, для розрахунку вже, переважно, не поверхнево-схилового змиву, а руслової твердої витрати, є наступними:
1) добра відповідність основних параметрів моделі характеристикам гідролого-геоморфологічної системи водозбору, які можна об’єктивно формалізувати через цифрову модель рельєфу водозбору та його геоінформаційн модель; до подібних характеристик відноситься, наприклад, ландшафтна мережа первинного стоку, маршрутизація якого попередньо моделюється (див. рис. 3-В, 6-В);
2) можливість залучення до розрахунків результатів моделювання за іншими методиками, зокрема, через TOPMODEL стану водонасиченості поверхневого шару ґрунту [282];
3) можливість прийняття до уваги результатів моделювання згідно з методикою стільникового автомата відносно конвертації поверхневого плину в русловий стік [52];
4) адекватність подання вхідних даних для моделювання через ЦММ – РС “грід”-файлів;
5) існуючі приклади успішної реалізації комп’ютерних моделей на підставі WEPP [283-287].
Нами визначалися наступні вхідні початкові дані для моделювання через WEPP в рамках гео інформаційної моделі водозбору:
1) в кожному вузлі пошарової сукупності “грід”-файлів дані про поверхневий шар ґрунту - Ge- функція ступеня покриття поверхні ґрунту наземними частинами рослин і висоти рослинного покриву, безрозмірна величина;
2) Ce - функція ступеня покриття поверхні ґрунту в міжструмковому просторі рослинними залишками, щебенем і гравієм, безрозмірна величина;
3) Ki - емпіричний коефіцієнт в моделі WEPP, що характеризує міжструмкову еродованість, кг∙сек/м4;
4) Kr – емпіричний коефіцієнт, що характеризує струмкову еродованість (здатність струмків до ерозійної роботи);
5) re – ефективна інтенсивність дощу за час перевищення інтенсивності опадів над інфільтрацією, м/сек;
6) Ve - ефективна швидкість осідання наносів, м/сек. WEPP моделює струмкову і міжструмкову ерозію.
Поверхневий стік концентрується в струмочках, і відрив ґрунтових частинок в цьому випадку в основному проводиться за рахунок сил дотичної напруги, випробовуваних ґрунтовими частинками на дні потоку. В міжструмковому просторі шар води малий, і основна робота по відриву частинок проводиться за рахунок ударів дощових крапель по поверхні ґрунту. Краплі сприяють також перенесенню відірваних раніше ґрунтових частинок у струмкову мережу. Струмочки є основними каналами транспорту таких частинок ґрунту.
Для розрахунку рівноважного руху твердого матеріалу використовується “ерозійне рівняння WEPP” – рівняння Дж. Фостера, що описує нерозривність для сталого потоку твердої витрати [287]:
dG /dx = Di + Dr, (2.4.13)
де Gтв – тверда витрата сумарного стоку (струмковий + площинний, кг/м2/с) на відстані x від початку схилу; Dr – функція, що описує відрив частинок ґрунту одна від одної у струмковому руслі, (кг/м2/с); Di – функція, що описує відрив частинок ґрунту одна від одної у міжструмковому просторі, (кг/м2/с). Функція Di описується як [287]:
Di = Ki∙ re2 ∙Ge ∙Ce ∙Sf, (2.4.14)
де ще єдиним невизначеним залишився Sf – фактор ухилу в WEPP-моделі для сукупності струмкових русел (%), який визначається гребенем схилу і першим “великим (неструмковим) руслом”, що цей схил замикає.
Русла струмочків є основними каналами, по яких наноси рухаються вниз по схилу. Струмочки здатні як транспортувати наноси, що в них потрапляють, так і зривати нові частинки. Коли потоки в струмочках навантажуються наносами, їх здатність зривати частинки і транспортувати наноси знижується. Якщо надходження твердого матеріалу в струмкові русла велике і потік перевантажується ними, відрив нових частинок не відбувається, а наноси можуть відкладатися на дні потоку. Dr – функція описує русловий струмковий процес як:
Dr = Kr ( -C)(1 – G/Tb), (2.4.15)
де - дотичні напруги на поверхні ґрунту, (кг/м/с2); c – критичне значення дотичної напруги; Tb - здатність потоку до транспортування, (кг/м/с), величина аналогічна тій, що використовувалася нами при розрахунках ПСЗ, але в даному випадку буде отримана через іншу формулу [288]:
Tb = kt ∙qw∙s , (2.4.16)
де коефіцієнт kt визначається по даних, що пропонуються [288], qw – рідка витрата на одиницю ширини струмкового потоку (м2/c), s – фактор ухилу. Якщо вміст наносів перевершує транспортуючу здатність потоку, відбувається відкладення наносів, яке в моделі WEPP обчислюється по формулі:
Sвідкл = 0,5 Ve (Tb – G)/ qw., (2.4.17)
в якій всі змінні вже були визначені вище.
Система активного шару для реалізації WEPP-моделі водної ерозії на водозборах. Методика WEPP нами реалізовувалася в геоінформаційній моделі водозбору через оригінальну авторську методику, систему послідовних шарів-“грід”-файлів – систему активного шару (САШ). Кожний з шарів послідовно визначав:
1) поверхневий струмковий стік по “гумусовому горизонту ґрунту”;
2) інші горизонти ґрунту, як правило, два з них;
3) донну тверду витрату “великого русла”, яке замикає схил із мережею струмків;
4) материнську породу, коли ґрунтовий покрив геть чисто відсутній; причому остання має подаватися кількома послідовними шарами, число яких варіює у залежності від регіональних умов.
Ми ставили граничні умови на кількість послідовних шарів як один поверхневий (активний шар спочатку) + шість нижчих шарів. Зрозуміло, що статус активного шару привласнюється тому, по якому йде ерозійний процес на даному кроці моделювання. Головний критерій, по якому шари відрізнялися – гранулометричний склад грунту й материнської породи, як найбільш репрезентативна характеристика щодо наявних даних для подібного моделювання.
Якщо для активного шару вводяться два додаткові рівні, то взагалі шарів стає дев’ять, і для активного шару виникає підсистема із трьох рівнів. Ці два додаткові рівні подають, по-перше, рослинність як природничий протиерозійний шар і, по-друге – материнську породу. Зрозуміло, що в такому разі окремі ґрунтові горизонти не розглядаються. Кожний шар має глибину, яка визначається гранулометричним складом матеріалу, якому відповідає даний шар. При моделюванні були представлені головні гранулометричні класи річкового і яружно-балкового алювію із розміром частинок від 0,002 до 0,054 м.
Два головних вектори транзиту-акумуляції твердого матеріалу, які в моделі WEPP можуть бути зіставлені із (2.4.13-2.4.17), ми описували двома наступними виразами (2.4.18, 2.4.19).
Відповідно до першого вектора твердий матеріал додається до самого верхнього шару, який є активним, тобто поступає до нього зовні, із іншого місцеположення. Згідно із функціями Di і Dr твердий матеріал усувається із активного шару і додається до шару нижче, що можна формалізувати як:
, (2.4.18)де Vi_тв – обсяг твердої витрати, усуненої із верхнього шару (x) і доданої до наступного шару, що униз (x+1), якому притаманна гранулометрична фракція i та A - площа перетину потоку твердого матеріалу на даному шарі; H – глибина активного шару, яка згідно з умовами моделювання залежить від його гранулометричного складу; глибину шару можна записати як (A, B)∙Dxi, де A, B - окремі коефіцієнти для активного шару (A) та для усіх інших, які нижче (B- однакове значення для усіх таких шарів), відповідно; Dxi – розмір частинок (мм) гранулометричної фракції i по шару xi.
Другий вектор руху твердої витрати відбиває місце, так би мовити, локальної ерозії у глобальному ерозійно-денудаційному циклі, який, у його чергу, певним чином може бути змодельований через алгоритм відбудови по ЦММ й моделювання розвитку морфології рельєфу, що обговорювався у другому розділі (§ 2.2.5.2). Цей вектор, якому відповідає вже усунення твердого матеріалу із нижчих шарів через глобальний цикл ерозії-денудації має описуватися наступним рівнянням:
. (2.4.19)Коли саме шар або верхнього (гумусового), або будь-якого іншого із ґрунтових горизонтів є активним, тверда витрата (кг/м2/с) для його кожної стільникової чарунки, яка потрапляє у струмкове русло, розраховується через (2.4.15) із врахуванням (2.4.16, 2.4.17). Для тих чарунок “активного ґрунтового шару”, які опиняються, навпаки, у міжструмковому просторі, динаміка твердої витрати відповідатиме вже (2.4.14). Згідно з умовами моделювання, якщо активним є будь-який із ґрунтових шарів, його глибина H в (2.4.19) записується як (A=2)∙Dxi, а коли активним буде певний шар гірських порід, які нижче ґрунтів - (В=4)∙Dxi. За умовою достатнього накопичення емпіричного матеріалу можна визначати окремий коефіцієнт глибини для кожного із шарів, який і буде підставлятися в (2.4.18, 2.4.19).
Для всіх шарів певних гранулометричних класів, які розташовуються нижче ґрунтового рівня, треба не використовувати WEPP-модель втрат ґрунту, а розраховувати об’ємну тверду витрату гірських порід qs (м3/с), наприклад, згідно роботи [288], коли загальна тверда витрата обраховується як сумарна для всіх фракцій еродованого матеріалу. Із усього викладеного вище випливає, що результати подібних підрахунків пов’язуються із результатами WEPP-моделювання через (2.4.18, 2.4.19).
Нами було зроблено по геоінформаційних моделях річкових водозборів декілька регіональних оцінок ерозійних процесів і обсягу твердих витрат (лише на деякі із них ми тут посилаємося). Одна з таких ГІМВ є територією Передкавказзя - Ставропольського краю Росії - вододілом річок Велика Лаба, Чамлик й Уруп, які входять у систему Дону. Для цієї площі характерна розвинена яружно-балкова мережа, що була змодельована на рівні постійних русел, які виникають через довготривалу зливу із сумарним шаром опадів в 300 мм (рис. 17-В, файл Laba_Chamluk.ISD ЦММ розміром 372 х 472 стільникових чарунок).
Оцінку і калібрування варіанта WEPP-моделі, яка використовувалася при комп’ютерному моделюванні через САШ, було власноручно виконано одним із авторів другої частини книги в Лабораторії ерозії географічного факультету університету Ратгерса (кампус Лівінгстон, штат Нью-Джерсі, США) на “стокових площадках моделювання дощу та зливи” (рис. 2..26). У даному випадку фізичне моделювання ерозії ґрунту гармонічно поєднувалося із евристичним моделюванням на підставі WEPP завдяки достатньо відомому ПЗ управління стимуляторами дощу – програмі CLIGEN [289].
Даний інструментально-програмний комплекс (ІПК) вважається одним із найбільш успішних у світі, а його ключовим елементом є саме цей “імовірнісний генератор клімату (дощових злив)” – програма CLIGEN, яка дає назву всьому комплексу. Ця комп’ютерна програма забезпечує вихідний файл для ПЗ, яке безпосередньо керує приладами симуляції зливи (рис. 2.26). Одні із головних характеристик, які пропонуються в цьому файлі – пікова інтенсивність зливи та її тривалість. ІПК CLIGEN дає можливість змінювати гранулометричний склад твердого матеріалу, який імітує ґрунт на стокових площадках приблизно 100 м у довжину і 5-8 м у ширину, де також за допомогою штучних речовин може відтворюватися певний прототип гумусового горизонту.
Через ІПК CLIGEN нами моделювалася зливова ерозія для калібрування WEPP-моделі, причому була зроблена спроба імітації ландшафтних умов й врахування антропогенного фактора двох територій, по яких були побудовані геоінформаційні моделі – згадана вище частина Ставропольського краю Росії й басейн р. Чорна, що у Південно-Західному Криму.
В ІПК CLIGEN встановлювалися кліматичні вхідні параметри (перша група), що дозволяли фізично моделювати ерозію за умовами від низької (Піденно-Західний Крим, середній інтервал повторюваності зливи (СІПЗ) = 1 раз на рік) до середньої (Ставропольський край, СІПЗ=5-7 раз на рік) інтенсивності зливових дощів із 30-ти хвилинною тривалістю зливи.
На стокових площадках із квадратно-гніздовим розподілом були встановлені лічильники дощу, а самі площадки були розташовані на схилах головних морфологічних класів – опуклих, увігнутих, опукло-увігнутих, увігнуто-опуклих. Таким чином, форма і величина схилу складали морфолого-морфометричні вхідні параметри (друга група).
Рис. 2.26. Cтокові площадки моделювання дощу та зливи в Лабораторії ерозії географічного факультету Університету Ратгерса (кампус Лівінгстон, штат Нью-Джерсі, США)
Інструментально-програмний комплекс дозволяв вводити такі параметри складу певного ґрунту (третя група) як його процентні складові із органічної речовини (гумусу), глини, піску, мулу, наявність крупних гранулометричних фракцій твердих порід і альбедо ґрунту.
Із зрозумілими умовностями, нами підбиралися характеристики, які відповідають південним малогумусним чорноземам басейну Чорної і вилуженим чорноземам та сірим гірсько-лісовим ґрунтам Ставропольського краю. На підставі аналізу обсягу рідкої витрати через зв’язок між гідрографом і седіментографом визначався обсяг наносів, що у завислому стані. Загальна втрата ґрунту дорівнює таким наносам + відкладення у колекційних лотках, які замикають стокові площадки (рис. 2.27). Вхідні параметри типу землекористування (четверта група), які також дозволяє задавати програмне забезпечення комплексу CLIGEN, нами обиралися так, щоб хоча б приблизно відповідати наслідкам технологічної обробки ґрунту, яка використовується на розораних частинах двох вказаних територій - зяб плоскорізний, зяб вирівняний і зяб гребенястий.
Ключовим моментом для калібрування і встановлення ефективності WEPP-моделі є порівняння обмірюваних втрат ґрунту на стокових площадках із прогнозованими програмою CLIGEN на підставі вказаних чотирьох груп вхідних параметрів. Заключні результати моделювання по стокових площадках, на підставі яких модель була калібрована для подальшого використання в Amber iQ 2.0, нами подаються у вигляді звичайного графіка “обмірювані втрати ґрунту (x) проти прогнозованих втрат (y)” (рис. 28) й в таблиці 2.27.
Рис. 2.27. Колекційні (для фізично змодельованих твердих витрат) лотки інструментально-програмного комплексу CLIGEN
У разі повного збігу прогнозованих і вимірюваних витрат всі точки графіка мають знаходитися на прямій, проведеній з підвалини графіка під кутом в 450. Відстань по нормалі від точки (x, y) до цієї прямої вважається частковою похибкою прогнозування.
По кожному типу землекористування засобами одномірної статистики була встановлена стандартна статистична похибка (СП), а ефективність калібрування WEPP-моделі (ЕКМ) визначалася як ЕКМ= 1-СП (табл. 2.27). Показник ЕКМ підтверджує добру ефективність калібрування моделі через ІПК CLIGEN на стокових площадках для ландшафтних умов Ставропольського краю у випадку зябу плоскорізного (74%) і задовільну – для зябу вирівняного (69%). Для такого типу землекористування як зяб гребенястий ЕКМ є умовною для обох територій, на які були побудовані гео інформаційні моделі водозборів (Ставропольський край – 53%; Крим – 51%).
В інших випадках калібрування моделі виявилося незадовільним, хоча і в такому разі WEPP може бути використана для прогнозу ерозії через разову зливу. Наші додаткові дослідження із ІПК CLIGEN вказують, що у випадку суцільного покриву дереном показник ЕКМ зростає до 90-95%.
Результати моделювання. Для просторового прогнозу водної ерозії ґрунту на підставі каліброваної WEPP-моделі через додатковий до Amber iQ модуль, оригінально розроблений авторами другої частини цієї монографії, треба було змоделювати за методикою, яка вже нами подавалася [54], морфолого-морфометричні атрибути флювіального рельєфу для водозбірної площі, що на рис. 17-В.
На наступній ілюстрації (рис. 18-В) геоінформаційна модель цієї території подається в середовищі Amber iQ 2.5 із субводозборами, пронумерованими відповідно до результатів морфолого-морфометричного моделювання, що впроваджувалося в GIS-Module Ukrainian 1.5.
По результатах цього моделювання були побудовані таблиці морфолого-морфометричних атрибутів рельєфу, зміст яких просторово пов’язувався із розповсюдженням змодельованих процесів водної ерозії через унікальний номер даного субводозбору.
На підставі цих результатів – характеристик морфології і мережі рельєфу можливо давати оцінку таких узагальнюючих показників як чутливість та ефективність ГГСВ водозбірного басейну [51] для подальшого встановлення їх зв’язку із інтенсивністю ерозійних процесів.
