Флювіальні геоморфосистеми: геоінформаційне моделювання водозбірної організації рельєфу
Реалізація імітаційних моделей рельєфу й гідрологічного режиму та концепції геоінформаційної моделі водозбору. Розроблення та впровадження просторового гідролого-геоморфологічного аналізу. Обмеження й вдосконалення геоінформаційного моделювання.
| Рубрика | География и экономическая география |
| Вид | автореферат |
| Язык | украинский |
| Дата добавления | 27.08.2014 |
| Размер файла | 115,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Визначені й обґрунтовані загальні принципи вибору моделі і середовищ моделювання передбачають, що цифрова модель місцевості (ЦММ) як джерело первинних даних має зберігати дані не тільки про рельєф, але й іншу різноманітну інформацію про довкілля (клімат та гідрологічний режим, геологічну будову, ґрунти та рослинність, чинники антропогенного впливу). На відміну від ЦММ, геоінформаційна модель водозбору (ГІМВ) є, з одного боку, остаточним результатом розробки, а з іншого - безпосереднім засобом кінцевих розрахунків.
Особливості комп'ютерних моделей і різних середовищ моделювання проаналізовані та узагальнені окремо, згідно з потребами гідролого-геоморфологічного аналізу.
Хоча морфологія поверхні водозбору та мережа флювіального рельєфу і не виступають безпосередніми елементами більшості методик розрахунків стоку на водозборі, неможливо ігнорувати ефект їх впливу на маршрутизацію поверхневого стоку, а відтак і на особливості гідрографа даного басейну. У цьому відношенні нами запропонована модифікація класичного алгоритму «стікаючої краплі» (D. Mark, 1984), згідно з якою рух кожної окремої краплі повинен розглядатися як Марковський процес.
Цифрова модель рельєфу водозбору (ЦМРВ) - окремий випадок ЦММ - впроваджує такі вихідні результати як карта ухилів в ізолініях і карта азимутів схилів. Ці параметри створюють топографічний шар геоінформаційної моделі водозбору. Топографічний шар ГІМВ має бути задіяний для генерації як схилового, так і поверхневого та руслового стоку крізь кожну чарунку ЦММ через впровадження матриці гідролого-геоморфологічного процесу, де кожна стільникова чарунка буде формалізована двома плоскими координатами. Відтак, топографічний шар виступає в ролі базового в ГІМВ, оскільки саме із цього шару отримуються дані для генерації стоку по вказаній матриці. Такими даними є: а) дані про ґрунти (їх визначаємо, виходячи із положення у рельєфі); б) дані про сонячну інсоляцію, що походять із величини і просторового положення схилу та характеру рельєфу; в) дані про положення кожної точки водозбору (чарунки матриці) відносно елементів рельєфу різного порядку.
Через критичний розгляд існуючих концепцій геоінформаційного моделювання доведено перспективність застосування в рамках «раціональної» концепції відомої модельної конструкції TOPMODEL. Застосування останньої передбачає впровадження комплексного підходу до побудови ГІМВ. В результаті отримаємо комплексну ГІМВ річкового (яружно-балкового) басейну, яку можна формалізовано описати через наступну алгоритмічну блок-схему (рис. 6). У випадку комплексної моделі кожній її чарунці приписується декілька атрибутивних характеристик, а не одна, наприклад, абсолютна відмітка місцевості, що мало б місце у звичайній ЦММ. Атрибутивні характеристики по масиву стільникових чарунок є вхідними даними для обраної чисельної моделі. В переважній більшості випадків це має бути емпірична модель, але за певних обставин доцільним є виконання евристичного моделювання. На виході із комплексної ГІМВ може бути комп'ютерна карта регіонального районування за будь-яким критерієм, наприклад, відповідно до поширення деревної рослинності на обраній території (6-й розділ роботи), або карта типологічного районування водозборів за особливостями землекористування (С. Костріков та ін., 2005). Саме картографовані компоненти виступають так званим «шаром комплексного фактору».
Існують посилання на те, що ерозійна мережа на водозборі є передфракталом (S. Schumm, 1956; Е. Федер, 1991; С. Костріков, 1999). В такому випадку імітаційні моделі річкових басейнів повинні мати однією з головних характеристик, яка відрізняє ці басейни, фрактальну розмірність флювіального рельєфу. Визначення цієї розмірності D і «фрактальних коефіцієнтів» DФК сприяє встановленню параметрів ГГСВ, інваріантних щодо масштабу, у якому картографується флювіальний рельєф. У той же час, через встановлення шкали просторового виміру для визначення рекурсивності на відношенні «водозбірний басейн - субводозбір», можна стверджувати, що алометричні властивості ФР, на відміну від його фрактальних властивостей, є залежними від масштабу. Найважливішою виглядає можливість застосування інваріантних щодо масштабу значень D і DФК для екстраполяції результатів і висновків, які були отримані у даному масштабі досліджень, в інший масштаб (процедура «скейлінгу»). Причому, ефективність застосування «скейлінгу» в гідрології має поступатися використанню масштаб-інваріантних показників безпосередньо в геоморфологічних дослідженнях, тому що саме форми рельєфу є кінцевим продуктом взаємодії цілого ряду процесів і чинників, які діють і впливають у дуже різних просторово-часових масштабах. Останні, у свою чергу, у випадку ФР відображають різні ієрархічні рівні гідролого-геоморфологічної системи водозбірного басейну. Ці ієрархічні рівні зумовлюють різну «чутливість» морфології ФР щодо змін у перебігу процесів рельєфоутворення, а відповідний «ефект сумації» встановлює «чутливість» всієї системи і характерний гідролого-геоморфологічний відгук водозбору.
Вказане було доведене через застосування спеціально розробленого для фрактального моделювання ПЗ CARDS, за допомогою якого обчислювалися ЦММ масштабів 1:300000 та 1:50000 частини водозбору р. Сіверський Донець. Незважаючи на думку про успадковану «нефрактальну сутність» водно-ерозійної топографічної поверхні (A. Scheidegger, 1991; I. Evans, C. McClean, 1995), на нашу думку, були встановлені цілком вірогідні значення (DФК) для флювіального рельєфу із розвиненими мережами вододілів DФК =2.04 для М 1:300000 і DФК =2.36 для М 1:50000. Також слід зазначити, що знайдені нами співвідношення DФК із масштабом подання ФР цілком підтверджують відомості про нижчі значення фрактальної розмірності для згладженого зрілого ерозійного рельєфу (M. Goodchild, D. Mark, 1987; G. Bloschl, M. Sivapalan, 1995). Таким чином, застосування «скейлінгу» свідчить, що відхилення даної топографічної поверхні від класичної фрактальної моделі не є суттєвим.
П'ятий - сьомий розділи роботи складають її останню третю частину - «Прикладні аспекти гідролого-геоморфологічного аналізу, інтерпретація результатів і перспективи», в якій на практиці реалізовано теоретичні засади концепції моделювання водозбірної організації флювіального рельєфу. У п'ятому розділі «Реалізація гідролого-геоморфологічного аналізу через геоінформаційне моделювання» перш за все узагальнюються характеристики геоінформаційних моделей. Цифрова модель місцевості, цифрова модель рельєфу водозбору і геоінформаційна модель останнього належать до двох класів: класу прикладних (дві перші) і методологічних моделей (ГІМВ).
Математичні моделі для автоматизованого подання флювіального рельєфу можна віднести до проміжного класу методичних моделей. Математична модель флювіального рельєфу (ММ ФР) - це формалізований опис систематизованої сукупності природних об'єктів (форм та елементів рельєфу), процесів (рельєфоутворення) та явищ (перш за все - гідрологічних) за допомогою необхідної математичної символіки. ММ ФР не може використовуватися в середовищі ГІС сама по собі, а має бути зв'язана з базою даних і базою знань геоінформаційної системи.
Процедура маршрутизації стоку є базовим кроком розробки ГІМВ. Вона безпосередньо генерує три шари даних: 1) ЦММ із штучно заповненими зниженнями - «порожнинами», які відображають, насамперед, помилки у первинних даних; 2) шар даних, який відображає напрямки поверхневого стоку для кожної чарунки ЦММ; 3) шар даних про акумуляцію стоку для кожної чарунки. З певного кроку роботи алгоритму визначення повної флювіальної мережі процедура маршрутизації гідрологічного стоку виконується вже не за цифровою моделлю місцевості, а за цифровою моделлю рельєфу водозбору. Використовується поняття «моментального геоморфологічного гідрографа» (МГГ) (С. Костріков, 1999), яке характеризує миттєвий розподіл рельєфоутворюючих (низької забезпеченості) витрат води по поверхні водозбору. Оскільки найбільш значущий вплив гідрологічного режиму на геоморфологічні процеси спостерігається протягом водопілля, то головні характеристики гідрографа водопілля (величини максимальних витрат у період підняття води - QМВ та тривалість цього періоду - TМВ) повинні розглядатися як сукупність характеристик МГГ. Обидві характеристики (QМВ, TМВ) використовуються при маршрутизації стоку по топографічному шару ГІМВ - цифровій моделі рельєфу водозбору.
Встановлено, що для послідовного моделювання флювіального рельєфу, поверхневого стоку і руслової мережі водозбірних басейнів доцільно поетапно вирішувати три задачі: 1) формального опису процесу маршрутизації стоку через ММ ФР - обчислення функції r(0) флювіального рельєфоутворення; 2) евристичного моделювання стоку по ЦММ; 3) маршрутизації стоку по ЦМРВ, оскільки остання модель відображає геоморфологічну гетерогенність.
Обґрунтована можливість оптимізації ГІМВ моделлю стільникового автомата (МСА). У цьому випадку оптимізована через МСА геоінформаційна модель водозбору може використовуватися для прогнозування зон затоплення під час весняних повеней та літніх дощових паводків (рис. 7). Маршрутизація стоку (руслових витрат) по цій моделі здійснюється, враховуючи вже не тільки відмітки рельєфу, але і рівень води (глибини). На відміну від «класичних алгоритмів маршрутизації стоку» (по ЦММ/ЦМРВ) тут не здійснюється перегляд топографічних відміток по чарунках всієї сітки зверху донизу, або навпаки. Вважається, що вода рухається максимум у три сусідні чарунки, розташовані попереду, а відзначається тільки одна із них, якій належатимуть максимальні глибина і витрата. Нарешті, на підставі граничного значення витрати і зіставлення результатів маршрутизації витрат, обрахованих по відповідних формулах можна диференціювати сітку чарунок на: 1) ділянки поверхневого стоку (по схилах), 2) русла, 3) зони затоплення під час повені (паводка) по річковій долині.
Реалізація розподіленого гідрологічного моделювання (РГМ), суть якого виступає ключовим елементом 5-го розділу, неможливе без формалізованого перезапису моделей двох класів - рельєфу і гідрологічного режиму в єдину ГІМВ. Теоретичною підставою такого формалізованого перезапису доцільно обрати достатньо відому модельну конструкцію «Топографічної Моделі» (TOPMODEL - англ.) (K. Beven, M. Kirkby, 1979) та її останні модифікації (K. Beven, 1995). TOPMODEL вимагає обчислення так званого «топографічно-ґрунтового індексу» для значного числа точок у водозборі, що звичайно спрощується при наявності ЦМРВ. Індекс записується як a/(T0 • tanв), де: а - водозбірна площа на одиницю довжини ізогіпси рельєфу в точці, T0 - проникність насиченого ґрунту в цій точці, а в - кут ухилу поверхні в даній точці. Нами підтверджені відомості про те, що великі показники 1n (a/T0 tanв) вказують на точки, які в більшій мірі схильні до низького рівня дефіциту вологи, а, отже - до насичення вологою ґрунту до поверхні. За результатами геоінформаційного моделювання було зроблене критичне припущення, що всі ділянки водозбору з подібними значеннями 1n (a/T0 tanв) відображають близький гідролого-геоморфологічний відгук.
ГІМВ на підставі TOPMODEL була реалізована для водозбору р. Чорна (рис. 8). Результатом моделювання стоку під час сильної зливи є диференціація поверхні водозбору на три класи відповідно до особливостей змодельованого поверхневого стоку: перший - стік, спричинений перевищенням здатності ґрунтів до насичення, другий - стік, зумовлений перевищенням здатності ґрунтів до інфільтрації, третій - відсутність поверхневого стоку. На відміну від сильної, але короткочасної зливи, нами також моделювалася зволоженість ґрунтового покриву через поверхневий стік під час обложних дощів за декілька днів із загальною сумою опадів 125 мм. Якщо порівнювати дві відповідні карти, то з'ясовується картина, яка не просто відрізняється, а є майже протилежною. Із результатів моделювання випливає, що високі значення індексу ai /(T0 tg i) відображають точки поверхні водозбору з більшою схильністю до нижчих показників дефіциту вологи у ґрунті і, таким чином, вказують на ділянки ґрунту, насиченого до поверхні, а у протилежному випадку - навпаки. Великі значення іншого показника - «топографічного індексу» i - добре співпадають з тальвегами русел, які мають постійну течію. До них безпосередньо примикають ділянки першого та другого класів поверхневого стоку. Області низьких значень «топографічного індексу» співпадають з вододільними територіями, які майже не дають вкладу у поверхневий стік - третій клас: ділянки поверхні, де поверхневий стік відсутній навіть за умов зливи. Суттєво інша картина спостерігається за результатами моделювання стоку і просторового розповсюдження вологості ґрунту через тривалі (кількаденні) опади.
Розподілена гідрологічна модель (РГМ) може бути визначена як набір тих програмних алгоритмів, котрі виконують гідрологічне моделювання на підставі погляду на річковий басейн як сукупність субводозборів. Останні виступають компонентами розподіленої моделі. Найважливішим тут є системоутворююче і функціональне значення субводозборів як складових частин гідролого-геоморфологічної системи водозбору.
В якості першої складової моделювання гідрологічного компонента ГГСВ впроваджувалася РГМ максимумів від талих вод, які фізично визначаються групою метеорологічних факторів. Водночас, нами приймалися до уваги посилання на те, що морфометричні характеристики поверхні басейну і русла річки, зокрема, а також розвиток мережі рельєфу реально впливають на весняні максимуми (А. Огиевский, 1951; Д. Соколовский, 1968; У. Виссмен, 1979). Фактично йдеться про функціональний вплив геоморфологічного компонента ГГСВ на гідрологічний режим водозбору. Зрозуміло, що вказані характеристики будуть прямо отримані з ЦМРВ, що значно спрощує процедуру моделювання.
Для реалізації РГМ максимумів під час весняних повеней нами було запропоноване розвинене середовище інтерфейсу програмного забезпечення для розрахунків безпосередньо по субводозборах більшого басейну. Цей інтерфейс передбачає введення всіх необхідних вхідних параметрів даної РГМ.
Головним вихідним параметром другої комп'ютерної РГМ (максимумів від літніх паводків) є показник руслових витрат (Q, м3/сек) 1-2% забезпеченості (p) для певної точки поперечного перерізу (створу) річкового русла. Тобто, такий само параметр, як і в РГМ витрат від весняних повеней. В РГМ руслових витрат від дощових злив таким засобом враховуються параметри тієї складової ГГСВ, яка відобраєаються морфолого-морфометричними характеристиками рельєфу. Останні складають першу групу вхідних параметрів цієї РГМ. Тобто, крім залежності від домінантного параметра - площі, також враховується зв'язок максимальних дощових витрат q з сумарною довжиною ділянок русла (від витоку до точки визначення - поперечного створу) L і з середньозваженим похилом русла J. Друга група вхідних параметрів складається з решти гідролого-метеорологічних характеристик (наприклад, інтенсивності злив та інших ландшафтних показників). Це, перш за все, властивості підстелюючої поверхні. Дані характеристики визначають, по-перше, ступінь набрякання схилів від дощових вод і, по-друге, час добігання цих вод по руслу до замикаючого створу. Третя група вхідних параметрів РГМ - витрат від дощових злив - відображає фактори місцевого характеру: лісистість водозбору, його заболоченість, ті особливості ФР, що не входять до першої групи (наприклад, характеристики русла та поверхні заплави, зарегульованість русла - природна (через озера) і штучна (ставки і водосховища)).
Для уточнення остаточних результатів в нашій другій РГМ оцінювалася емпірична залежність між: 1) географічним параметром розрахунків, 2) максимальним добовим шаром опадів, 3) значенням максимальної руслової витрати від зливи за певною емпіричною формулою, 4) значенням максимальної руслової витрати від зливи за даними спостережень.
5-й розділ роботи закінчується поданням методики просторово-статистичного аналізу рельєфу водозбору. Загальний просторово-статистичний аналіз (ЗПСА) через ГІС-засоби, окрім того, що дозволяє визначати геостатистичну варіабельність морфології рельєфу, також впроваджувався у двох наступних аспектах: 1) морфометричному - шляхом обчислення дескриптивних статистик, зокрема, характеристик центрів угруповання і варіації морфометричних показників рельєфу поверхні водозбору; 2) морфологічному - через моделювання зв'язку довжини головного русла басейну (субводозбору) з водозбірною площею, яка дренується цим руслом, а також, через моделювання зв'язку між довжиною ділянки цього русла від витоку до певної точки в руслі.
Інтерфейс авторського ПЗ забезпечує два принципово різних рівні ЗПСА: 1) розрахунок статистик по всьому річковому басейні, 2) більш детальне моделювання в межах окремих субводозборів - частин басейну, що мають власний замикаючий створ. За матеріалами дистанційного зондування частини території Північного Кавказу (супутниковий знімок) була створена ЦМРВ, яка відповідає верхів'ям басейну р. Великий Зеленчук. За допомогою цифрової моделі рельєфу водозбору був впроваджений просторово-статистичний аналіз як морфології, так і морфометрії поверхні цього басейну.
Таким чином, оскільки є однозначні емпіричні дані про вплив морфології поверхні і мережі рельєфу водозбору на витрати талих вод і дощових паводків, то можна стверджувати, що йдеться про індикацію впливу геоморфологічного компонента ГГСВ на функціонування всієї системи водозбору в цілому.
У передостанньому (шостому) розділі роботи «Використання моделей водозбірної організації флювіального рельєфу: регіональний аспект» крім решти суттєвих методологічних і методичних питань переважно розглядається регіональне моделювання, яке має бути окремим елементом будь-якого дослідження, чий предмет включає просторові аспекти.
Подається реалізація просторового гідролого-геоморфологічного аналізу через моделювання кінематичних змін у рельєфі. Робиться спроба відрізняти внутрішньосистемні зміни у морфології ФР, тобто ті, що безпосередньо зв'язані з функціонуванням ГГСВ, від позасистемних змін. Внутрішньосистемним змінам мають відповідати зміни у тих елементах морфології поверхні, які, по-перше, підпадають під критерій розміру (масштаб водозбору), а, по-друге, існують приблизно той саме час, який існує річковий басейн. У вказаному аспекті визначається місце ГІМВ серед функціонально-геоморфологічних моделей. Для історико-генетичної геоморфології час - це, у першу чергу, загально-історична шкала виміру, тобто геологічний час, до якого зводяться всі геоморфологічні процеси. В іншому випадку (функціональна геоморфологія) час є фізичною величиною, фактором тривалості певних фаз дискретно-континуального процесу функціонування ГГСВ, а змінна t - суттєвий компонент усіх виразів, які формалізують подання геоморфологічних процесів. Історико-генетичне пояснення довготривалої еволюції річкових басейнів у регіональному аспекті обов'язково має бути доповнено вивченням функціонування їх гідролого-геоморфологічних систем, що і є ціллю впровадження просторового гідролого-геоморфологічного аналізу.
Запропонований і реалізований оригінальний алгоритм моделювання кінематичних змін у ФР, який використовувався як для двовимірного (наприклад, повздовжній профіль русла), так і для тривимірного моделювання (візуалізація характерної морфології поверхні). За наявності відповідних даних можна задавати структурно-тектонічні порушення корінного шару гірських порід, наприклад, різким падінням пластів, дайками, мінірозламами, вертикальними зонами напруги та іншими ускладненнями. При моделюванні вважається, що первинна поверхня може бути експонована як до вивітрювання, так і до денудації або до врізання русла. Ця поверхня подається у відповідному ПЗ «грід» - файлом і викладене має на увазі стандартну опцію моделювання. При альтернативній (екстремальній) опції припускається, що весь обсяг зденудованого матеріалу рухається до самого підніжжя схилу і далі у завислому стані - в шарі поверхневого стоку. Також приймається, що денудаційний процес змінює товщину пухких відкладів у кожній точці вузла «грід» - файлу, а через це змінюються відмітки рельєфу і морфологія поверхні. При дискретизації часової шкали моделювання і переході до іншого відрізку часу, змінена поверхня стає експонованою до всіх процесів денудації, вивітрювання або врізання русел.
Методи візуалізації в середовищі ГІС змодельованих змін у кінематиці рельєфу базуються на запропонованій модифікації класичного топологічного аналізу поверхонь через переведення його у просторово-часову площину. За аналогією з існуванням чотирьох геометричних примітивів морфологічних елементів щодо статики рельєфу - вершини (в), зниження (з) або порожнини (п), сідловини (с) та схилу (сх), пропонується визначення «примітивних подій» (ПП) стосовно часових змін у морфології ФР. Метод «примітивних подій» (МПП) базується на дослідженні кінематичних змін з прийняттям до уваги геометричних примітивів як критичних точок. Для цього просторово-часова безперервна функція rt(0)=f (x, y, t), яка є гладкою і такою, що диференціюється в кожній точці області G - певному топографічному регіоні - відносно x та y, задається для визначеного періоду часу t. Певні ПП зумовлюються геометричними примітивами. Так ПП «виникненням вершини» буде зміна певної точки на rt(0)=f (x, y, t) із схилу через її підняття, або навпаки - зниження топографічної поверхні навколо неї. У протилежному випадку примітивною подією «зникненням вершини» визначається її перетворення на звичайну точку на схилі. Нарешті, «рухом вершини» доцільно вважати перманентну зміну її місцеположення, що спричиняється плавними змінами всієї поверхні. Всі інші варіанти «примітивних подій» можуть аналізуватися як зміни rt(0)=f (x, y, t) через знаходження похідної від f (x, y, t) по t:
(3)
На підставі запропонованого алгоритму і МПП змодельована динаміка морфології ФР пригирлової частини річкової долини (р. Сіетл - США) за умови тектонічних знижень і заключного етапу денудації.
Через 1) зроблену нами координатну прив'язку даних буріння по сукупності свердловин щодо пошуку рельєфоутворювальних формувальних четвертинних та неоген-палеогенових пісків в зоні зчленування ДДВ й Донецької складчастої споруди, 2) геостатистичне моделювання відповідних геологічних горизонтів і 3) реалізацію в ПЗ Dune Advisor методу «примітивних подій» та подальшу візуалізацію результатів була отримана адекватна модель геологічного середовища вказаного району поширення флювіального рельєфу.
Викладається регіональна апробація обґрунтованої у третьому розділі концептуальної моделі топології, морфології і морфометрії рельєфу водозбору. Шляхом реалізації в середовищі системи аналітичної обробки просторової інформації (САОПІ) Amber iQ обговореного вище МПП була розрахована і візуалізована імовірнісно-топологічна модель гідрографічної мережі басейну р. Оскіл (водозбір Сіверського Донця). Дана модель порівнювалася з просторовим розподілом топологічних характеристик реальної мережі флювіального рельєфу. Для реалізації тополого-морфологічного і морфометричного моделювання поверхні сукупності субводозборів, які, однак, належать до трьох різних басейнів (верхів'я Осколу, басейн його притоки - Оскільця, водозбір Чуфічевки) нами була побудована «нетипова» ГІМВ. У цьому випадку базові алгоритми виконуються не для окремої замкнутої водозбірній площі, що відповідає об'єкту «басейн = сукупність субводозборів», а впроваджуються стільки разів, скільки подібних об'єктів виділялося на ЦММ (рис. 9, номери СВЗ визначають їх функціональне місце в моделі).
За результатами моделювання через «нетипову» ГІМВ встановлено, що, по-перше, саме завдяки рекурентним властивостям ГГСВ комплексні характеристичні параметри рельєфу певного СВЗ, які визначаються в якомусь конкретному масштабі досліджень, є репрезентативними показниками ФР всього (більшого) річкового басейну при будь-якому іншому масштабі, а мережа рельєфу субводозбору може розглядатися як просторовий самоафінний аналог мережі більшого басейну. По-друге, ступінь залежності між морфометричними параметрами різних субводозборів пов'язана з їх місцеположенням у великому басейні. Останнє також визначає функціональну роль цих СВЗ в ГГСВ (рис. 9).
У продовження дослідження кінематики ФР впроваджувалися регіональні
моделі геостатистичної варіабельності морфології поверхні басейнів, які знаходяться в різних природних умовах - річок Оскіл і Колорадо (США). Зокрема, чисельно-статистичними методами для всього басейну р. Оскіл моделювався флювіальний рельєф, який нескінченно наближається до свого рівноважного стану. Не асоціативність ПБ Стралера (див. 2-й розділ - С. Костриков, 1992) викликає
необхідність при визначенні характеристик цієї моделі через показники ангулярності рельєфу оперувати із значеннями «магнітуди» (ланки, тальвегу, мережі - схема порядкового бонітування Р. Шріва), а не «порядку» (схема ПБ - А. Стралера). Безрозмірний змінний параметр ангулярності визначається двома регресійними залежностями: 1) кути зчленування елементів мережі / магнітуди цих елементів і 2) похили тальвегів / площі, які дренуються цими тальвегами. Причому для рельєфу, який наближається до свого рівноважного стану, визначені двома різними методами показники повинні приблизно збігатися через загальні тополого-метричні закономірності будови деревоподібної мережі ФР. В рамках визначення параметра, альтернативного вільному коефіцієнтові за сукупністю емпіричних величин будувалися графіки лівих проти правих частин відповідних рівнянь, приведених до лінійного вигляду. Нахил регресійних прямих в обох випадках визначався параметром , що має протилежний знак відносно .
Ми дотримувалися припущення, що в міру зростання магнітуди елемента мережі його тальвег наближається до стану виробленого подовжнього профілю і, відповідно, розрахунковий параметр буде описувати планову рівноважну схему зчленування тальвегів в рамках ангулярної моделі вузла мережі рельєфу (див. другий розділ). Збіг при протилежних знаках величини і зворотного значення параметра буде означати зрілий флювіальний рельєф, оскільки дані показники розраховані об'єктивно альтернативними методами. Безрозмірний топологічний параметр розраховувався для усіх субводозборів цього басейну, де були сформовані емпіричні вибірки достатнього обсягу. Значення порівнювалися з параметром для головних морфологічних частин всього водозбору. За величинами розбіжностей між цими характеристиками ( і ) визначаємо відхилення мережі від її рівноважного стану.
Крім водозборів Оскола і Колорадо, подібні дослідження через моделювання змін у кінематиці флювіального рельєфу, на яке ми посилалися вище (через МПП), були виконані для пригирлової частини водозбору р. Сіетл (США).
Здійснювалося геоінформаційне моделювання через побудову комплексної ГІМВ (див. четвертий розділ) для геоекологічного районування території (площею в 1 тис. км2) частини басейну р. Велика Урзуга, що у Архангельській області, на півночі Росії. Впроваджувалося типологічне районування за типом землекористування, коли ключовим компонентом ГІМВ були первинні і вторинні атрибути рельєфу (див. 3-й розділ). В іншому прикладі змодельованого геоекологічного районування гідролого-геоморфологічний підхід до побудови комплексної моделі доповнювався застосуванням загальнонаукового методу прогнозного аналізу (ПА). «Метод класифікатора потенційної функції з навчанням» нами використовувався для просторової класифікації і подальшого ПА територіального розповсюдження видів деревної рослинності на території Східних Карпат. Шари рослинності та ґрунтів ЦМРВ співвідносилися з територіально притаманними їм первинними та вторинними ММА ФР. Це має суттєве прикладне значення у разі необхідності ландшафтного дешифрування матеріалів дистанційного зондування, за якими можна одержати найточнішу інформацію тільки про рельєф підстелюючої поверхні, а дані про інші компоненти ландшафту (наприклад, грунтово-рослинний покрив) не можуть бути отримані безпосередньо.
Була впроваджена оптимізація моделі стільникового автомата (див. 3-й розділ) через запропонований, обґрунтований і реалізований алгоритм послідовних ітерацій маршрутизації стоку (АПІ МС). На такій підставі розроблена оригінальна модель екстремального стоку, яка використовує МСА, оптимізовану через АПІ МС та авторські розподілені моделі руслових витрат від поталих вод та від дощових паводків (див. п'ятий розділ). Складовою моделі стоку є конструкція TOPMODEL, через яку можливий формалізований перезапис емпіричних моделей окремих класів в ГІМВ. Натомість наші попередні оцінки доводили, що через обмаль даних для тих водозборів, для яких моделювався екстремальний стік, пряме застосування модельних параметричних показників є досить проблематичним. Через це у процедуру моделювання екстремального стоку нами включалася модифікована TOPMODEL К. Бевена і М. Кіркбі (1979), яка використовувалася для розрахунку сумарного поверхневого і підповерхневого стоку для чарунок оптимізованої стільникової моделі. У відповідних модельних розрахунках були задіяні два наступні базові вирази визначення сумарного стоку Qпов_під:
, (4) і , (5)
де Si - показник дефіциту накопичення вологи ґрунтом у даній точці водозбору; t - лаг за часом (с); r - показник інтенсивності зливи (мм / година); m - коефіцієнт експонентного зниження водопроникності ґрунту при збільшенні дефіциту ґрунтової вологи, тобто параметр, який контролює динаміку Si. Значення останньої для даної ітерації може бути розраховано із значення на попередній ітерації Si-1.
На підставі методики АПІ МС був здійснений прогноз зон затоплення від дощових паводків і розрахунок заходів з регулювання руслового і поверхнево-схилового стоку, включаючи визначення оптимального положення штучного водоймища в басейні р. Чорна.
В заключній частині 6-го розділу роботи подаються оцінки водної ерозії, отримані за геоінформаційними моделями річкових водозборів. Реалізується ГІС-моделювання процесів водної ерозії в межах річкових водозборів, які є перехідними від поверхнево-схилового змиву до транзиту руслового стоку наносів. Визначаються вхідні параметри геоінформаційної моделі, необхідні для вирішення даної задачі. В якості останніх приймаються характеристики відомої WEPP-моделі ерозії. Методика WEPP нами реалізується в ГІМВ через оригінально запропоновану систему послідовних шарів - «грід» - файлів - «систему активного шару». Статус активного шару привласнюється тому, по якому йде ерозійний процес на даному кроці моделювання. Головний критерій, за яким шари відрізнялися - гранулометричний склад як найбільш репрезентативна характеристика щодо наявних даних. Стосовно всіх шарів певних гранулометричних класів, які розташовуються нижче ґрунтового рівня, треба вже не використовувати WEPP-модель втрат ґрунту, а розраховувати об'ємну тверду витрату гірських порід qs (м3/с), коли загальна витрата наносів обраховується як сумарна для всіх фракцій еродованого матеріалу. Два головних вектори транзиту-акумуляції твердого матеріалу в цій моделі суттєвим чином зумовлюються особливостями рельєфу і гідрологічного режиму. Оцінка й калібрування WEPP-моделі виконувалася автором власноручно на стокових майданчиках моделювання дощу та зливи Лабораторії ерозії географічного факультету університету Ратгерса (Нью-Джерсі, США).
Запропонований підхід регіонально впроваджувався для двох водозбірних територій, що відрізняються за ландшафтними умовами: частини Передкавказзя (територія Ставропольського краю Росії - вододіл річок Велика Лаба, Чамлик і Уруп, які входять у систему Дону) і басейну р. Чорна. Результати моделювання просторового розподілу зливової ерозії представлено через декілька комп'ютерних карт у графічному інтерфейсі користувача САОПІ Amber iQ. Доведено, що просторові закономірності поширення ерозійних процесів для кожної з водозбірних площ суттєвою мірою зумовлюються характеристиками їх ГГСВ.
В сьомому розділі дисертації «Проблеми і перспективи геоінформаційного моделювання водозборів» обговорюються певні обмеження запропонованого дослідницького підходу. Їх доцільно систематизувати в три групи: 1) ті обмеження, що зумовлюються протиріччями між традиційними підвалинами геоморфологічного дослідження і новітніми підходами, зокрема, ГІС-моделюванням; 2) обмеження, які виникають через відсутність стандартів цифрового моделювання та уніфікації геопросторових даних; 3) такі, що виникають через методологічну невизначеність ролі ГІС в дослідженнях водозбірних басейнів.
У сьомому розділу сформульована також методика формалізації менеджменту водозбірних басейнів через гідролого-геоморфологічний підхід. На цій підставі розроблена структура перспективної системи підтримки прийняття рішень, яка відповідає її наступному змісту: просторовий гідролого-геоморфологічний аналіз просторові багатоатрибутивні рішення / просторові багатоцільові рішення (рис. 10). Ця структура передбачає: 1) осмислення проблеми, 2) планування й розробку заходів, 3) вибір остаточного рішення.
Висновки
1. Теоретико-методологічні висновки:
1.1. При вивченні територій із флювіальним рельєфом доцільно впроваджувати необхідні процедури дослідження, моделювання і тематичного картографування з врахуванням об'єктивно існуючих на цих територіях гідролого-геоморфологічних одиниць - водозбірних басейнів. Останні виступають як єдине функціональне ціле, у той час, коли особливості їх поверхні та процесів, що на ній відбуваються, мають досить різноманітні просторові зміст і подання.
1.2. Феномен водозбірної організації свідчить про притаманність флювіальній морфоскульптурі організаційних та самоорганізаційних властивостей. Встановлення об'єктивних критеріїв відокремлення одних від інших потребує різнобічних подальших досліджень. Однак, з'ясовано, що узяті разом, ці властивості полягають у здатності ГГСВ оптимізувати поверхневий і русловий стік через просторове впорядкування площ окремих субводозборів в межах більшого водозбірного басейну і відповідне пристосування до цього впорядкування поздовжніх профілів русел та взаємоузгодження параметрів стоку.
1.3. Процес флювіального рельєфоутворення доцільно розглядати як єдиний гідролого-геоморфологічний процес за участю рельєфу і гідрологічного стоку. Їхню взаємодію можна адекватно відображати моделлю стільникового автомата. Для такого відображення необхідно відокремлювати внутрішньосистемні зміни у флювіальному рельєфі, які зумовлюються гідролого-геоморфологічним процесом, від позасистемних змін, зумовлених зовнішніми чинниками.
1.4. Флювіальний рельєф функціонує як підсистема, що перебуває у стані сталої неврівноваженості і належить до гідролого-геоморфологічної системи водозбору - реально існуючої геосистеми, рекурентного квазітелеологічного утворення вищого текстурного рівня. В підсистемі флювіального рельєфу узгоджуються процеси енерго-масопереносу завдяки сталій єдності функціонального, топологічного і планіметричного інваріантів рельєфу, тобто завдяки внутрішній формі організації цієї підсистеми - її структурі. У цьому полягає сутність водозбірної організації флювіального рельєфу.
1.5. У випадку впровадження ортодоксального системного підходу для дослідження водозбірних басейнів, час релаксації геоморфологічної системи виявиться значно більшим, аніж відповідний період релаксації гідрологічної системи. З цього випливає, що у випадку незв'язаних досліджень систем цих двох класів, результат моделювання - флювіальна геоморфосистема - має скоріше відображати особливості взаємодії рельєфу і гідрологічного режиму водозбору в досить далекому минулому, ніж у сучасний період. Саме тому необхідно розглядати єдиний флювіальний процес і гідролого-геоморфологічну систему водозбору.
1.6. Відповідно до пп. 1.1-1.5 з емпіричного об'єкта дослідження - водозбірного басейну - має виокремлюватися дослідницький об'єкт - гідролого-геоморфологічна система водозбору.
1.7. При формуванні спеціалізованих бази географічних даних й бази знань серед усього широкого спектра ландшафтних процесів у водозбірних басейнах необхідно визначити ведучі, які могли б бути індикатором стану природного середовища водозборів. Процеси флювіального рельєфоутворення і гідрологічний режим відповідної території задовольняють подібну вимогу.
1.8. Приведення в адекватну відповідність емпіричному (водозбір) та дослідницькому (ГГСВ) об'єктам предмета дослідження (флювіальна геоморфосистема) можливо лише за умовою транзитивності останнього.
1.9. Вплив морфології поверхні річкового басейну та мережі його рельєфу на формування площинного і руслового стоку полягає в зумовленості гідрологічної гетерогенності водозбору його гетерогенністю геоморфологічною, яка підкреслює єдність басейну як цілісної гідролого-геоморфологічної сутності.
1.10. Емпірично підтверджене теоретичне припущення про наступну характерну властивість гідролого-геоморфологічних систем водозборів з мережами постійних водотоків: чим більша річкова система розглядається, тим меншою лінійністю відрізняється відгук-реакція ГГСВ цього басейну на зовнішній вплив.
1.11. Обґрунтоване поняття ефективності гідролого-геоморфологічної системи водозбору - її здатності трансформувати частину атмосферних опадів у гідрологічний стік, тобто виконувати одну з основних ландшафтних функцій водозбору.
1.12. Метою впровадження просторового гідролого-геоморфологічного аналізу є комплексне відтворення на геоінформаційній моделі водозбору морфології ФР цього басейну, його флювіальної мережі, особливостей гідрологічного режиму, а в окремих випадках - інших компонентів середовища водозбору.
1.13. Моделювання і подальше комп'ютерне картографування ГІС-об'єктів, які прив'язані до водозбору як до покриття (геореляційної моделі даних) передбачає їх впровадження з врахуванням регіональних особливостей рельєфу і гідрологічного режиму.
1.14. Знайдені співвідношення показника «фрактального коефіцієнта» DФК з масштабом подання флювіального рельєфу підтверджують існуючі відомості про занижені значення фрактальної розмірності для згладженого зрілого ерозійно-акумулятивного рельєфу, тобто - думку про його «нефрактальну сутність». З іншого боку, одержані результати комп'ютерного моделювання дозволяють стверджувати про перспективність фрактальних досліджень молодого флювіального рельєфу.
1.15. Встановлено, що сучасні ГІС-засоби спроможні генерувати адекватні комплексні моделі водозборів (статичні і динамічні, двовимірні, і тривимірні). Розроблено і запроваджено в розробку параметри моделі флювіального рельєфу, котрі у сукупності дають змогу відображати і аналізувати його функціональний, топологічний й метричний інваріанти, анізотропію та інші властивості.
1.16. Обґрунтовані положення становлять теоретико-методологічне підґрунтя новітньої предметної галузі - геоморфологічної інформатики.
2. Методичні та емпіричні висновки:
2.1. Визначення водозбірного басейну як ГГО передбачає формалізацію опису його гідрологічної гетерогенності через параметри мережі рельєфу і формалізоване подання еволюції флювіальної поверхні, на якій відбувається гідролого-геоморфологічний процес.
2.2. Геоінформаційні моделі для відтворення гідрологічного компонента середовища водозборів мають прогнозувати: 1) регулярні витрати води у руслах та пікові витрати від весняних повеней і літніх дощових паводків, 2) глибини у зонах затоплення від повеней та паводків, 3) здатність руслового потоку до розмиву підстелюючої поверхні, 4) транспортуючу здатність руслового потоку й поверхнево-схилового стоку щодо наносів.
2.3. Результатом дослідження є статистично значущі емпіричні дані про вплив морфології поверхні і мережі рельєфу на руслові витрати від талих вод та дощових паводків. Таким чином, засобами ГІС-моделювання підтверджується вплив геоморфологічного компонента ГГСВ на функціонування всієї системи водозбору. Застосування для побудови функціональних моделей методичної послідовності ЦММ => ЦМРВ робить загальну схему моделювання значно ефективнішою.
2.4. Водозбір як просторовий об'єкт задовольняє основним вимогам щодо структуризації просторової інформації, які передбачають обов'язковість опису певних структурних рис просторових феноменів. Вказане зумовлює доцільність вибору елементарного водозбору в якості первинної комірки просторово-функціональної організації території.
2.5. Зберігання у спеціалізованій базі географічних даних різномасштабної інформації як про рельєф, так і про інші компоненти природного середовища водозбірних басейнів надає можливість відтворення в рамках компонентного моделювання, наприклад, геолого-тектонічної будови території і вивчення міграції забруднюючих речовин у субводозборах більшого басейну.
2.6. Запропонована й апробована процедура моделювання маршрутизації гідролого-геоморфологічного процесу. У цьому відношенні для відповідного послідовного відтворення морфології поверхні, площинного стоку і руслової мережі вирішуються три задачі: 1) формального опису процесу маршрутизації стоку; 2) евристичного моделювання стоку по ЦММ; 3) маршрутизації стоку по цифровій моделі рельєфу водозбору.
2.7. Порівнюючи (через визначення статистично значущої різниці) модель «рівноважного» флювіального рельєфу водозбору з візуалізованими даними первинної ЦММ, за вірогідністю відмінностей між характеристиками морфології / мережі рельєфу обох моделей можливо визначити спрямованість розвитку гідролого-геоморфологічного процесу у бік або посилення, або послаблення руслової та яружно-балкової ерозії.
2.8. Доведено, що моделювання і візуалізація в середовищі ГІС кінематичних
змін у рельєфі може здійснюватися на підставі просторово-часового аналізу та через визначення спочатку геометричних примітивів морфологічних елементів, а потім - через визначення «примітивних подій», якими формалізуються кінематичні зміни.
3. Прикладні результати:
3.1. На підставі теоретичних і методичних розробок, які є предметом захисту дисертаційного дослідження, реалізоване авторське програмне забезпечення для моделювання і дослідження водозборів - пакет GIS-Module Ukrainian 1.5 для MS Windows.
3.2. Запропонована та апробована оригінальна методика розрахунків гідрологічної складової гідролого-геоморфологічної системи водозбору, яка базується на розподілених емпіричних моделях максимумів від стоку талих та дощових вод.
3.3. Розроблена загальна структура системи підтримки прийняття рішень для менеджменту водозбірних басейнів на підставі підходу: просторовий гідролого-геоморфологічний аналіз > просторові багатоатрибутивні рішення-пропозиції / просторові багатоцільові рішення-пропозиції.
3.4. Виконане калібрування WEPP-моделі втрат ґрунту від зливової ерозії. На регіональних прикладах реалізована оригінальна методика моделювання просторового розподілу процесів водної ерозії по поверхні водозборів, що знаходяться в різних ландшафтних умовах.
3.5. Обґрунтовано і показано можливість використання ГІС-технологій для розв'язання задач, котрі узяті разом складають сучасну систему інвайронментального менеджменту водозборів.
4. Регіональні висновки:
4.1. Визначена і перевірена дієздатність ГІС-технологій у різних природних зонах помірного поясу на об`єктах різнорангової ієрархічної підпорядкованості та географічного місцеположення. Встановлена адекватність регіональних моделей флювіального рельєфу його дійсній природній організації.
4.2. На прикладі частини басейну р. Сіверський Донець верифікована ГІС-модель гідрографічної мережі. Доведено, що ця модель, побудована через відображення внутрішньосистемних змін у флювіальному рельєфі, адекватно подає його реальні руслову мережу і гідрологічний режим відповідного водозбору.
4.3. Для тестових річкових водозборів спостерігається добра узгодженість результатів моделювання поверхневого стоку і мінливості насиченості вологою ґрунтового шару, які передають просторову диференціацію даних водозборів на декілька класів за характеристиками зливової ерозії, що може використовуватися для прогнозування наслідків сильних злив.
Основні публікації за темою дисертації
1. Krivtsov V., Kostrikov S., Staines H.J., Vorobiov V., Brendler A. Some aspects of the computer technologies application. - Chapter 4 in: New Trends in Ecology Research / A.R. Burk, editor. - New York: Nova Science Publishers, 2005. - P. 103-118. Особистий внесок: співавторство в четвертому розділі колективної монографії, розробка концепції комп'ютерного моделювання в геоекології, яка викладається (с. 103-111).
2. Черваньов І.Г., Костріков С.В., Воробйов Б.Н. Флювіальні геоморфосистеми: дослідження й розробки Харківської геоморфологічної школи / Під ред. І.Г. Черваньова - Харків: Вид-во ХНУ, 2006. - 322 с. Особистий внесок: розробка концепції другої частини монографії у співавторстві, розробка методології аналізу флювіальних геоморфосистем, комп'ютерна графіка, розгорнуте резюме (англійською) (с. 97-121, 132-
3. Костріков С.В., Нємець Л.М., Нємець К.А. Основи соціальної екології. Навчальний посібник. - Харків: Вид-во ХНУ, 1999. - 184 с. Особистий внесок: розробка концепції посібника; окремо - аналіз застосування геоінформаційних технологій для відтворення стану природного довкілля (с. 111-117).
4. Костріков С.В., Воробйов Б.Н. Практична геоінформатика для менеджменту охорони довкілля. Навчально-методичний посібник. - Харків: Вид-во ХНУ, 2003. - 102 с. Особистий внесок: розробка концепції підручника, опис геоінформаційних засобів, тестові завдання (с. 3-80).
5. Костріков С.В. Практична геоінформатика для менеджменту екоенергетики. Електронний навчальний посібник. - Харків, 2003. - 60 Мб.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Вивчення фізико-географічного положення, геологічної будови, рельєфу дна, кліматичних умов, гідрологічного режиму, властивостей водних мас, коливань рівня води в Каспійському морі. Багатство органічного світу безстічного озера-моря та його узбережжя.
курсовая работа [47,8 K], добавлен 10.08.2010Просторова і часова антропогенна трансформація форм рельєфу, рельєфотвірних порід і геоморфологічних процесів на найбільших об’єктах, які зазнали антропогенного впливу на цій території, річкові долини. Зміни форм рельєфу при дорожньому будівництві.
дипломная работа [1,9 M], добавлен 21.07.2015Районування зсувонебезпеки як процес ранжирування різних частин області відповідно до ступеня фактичної або потенційної небезпеки зсувів. Технології, що використовуються для комплексної оцінки та прогнозу поширення небезпечних геологічних процесів.
статья [570,2 K], добавлен 31.08.2017Вивчення географічного положення, клімату, рельєфу та населення Італії. Характеристика господарського комплексу, основних галузей промисловості, розвитку сільського господарства. Специфіка транспортної системи країни. Опис зовнішньоекономічних відносин.
реферат [26,2 K], добавлен 23.12.2015Географічне положення та обласний склад Причорноморського економічного району. Розгляд рельєфу, кліматичних умов, природних ресурсів та промисловості АРК, Одеської, Херсонської та Миколаївської областей. Екологічні та військові проблеми регіону.
презентация [1,4 M], добавлен 04.05.2014Характеристика рельєфу, геологічної будови, кліматичних умов та ґрунтового покриву Нової Зеландії. Ознайомлення із рослинним та тваринним світом регіону. Видатні природні об'єкти країни: фіорд Мілфорд Саунд, пляж Hot Water Beach, вулкан Таранакі.
курсовая работа [2,7 M], добавлен 26.08.2014Коротка історія походження назви країни - Канада, її адміністративний поділ. Особливості географічного положення, рельєфу та клімату. Державний режим та населення Канади, рівень її економічного розвитку. Релігія, освіта, культура та спорт в Канаді.
презентация [2,6 M], добавлен 04.12.2012Загальні відомості про материк та його фізична географія. Дослідження та освоєння Північної Америки, вивчення клімату, рельєфу, корисних копалин, рослинності та твариного світу. Адміністративна характеристика Канади, Сполучених Штатів Америки та Мексики.
реферат [3,4 M], добавлен 04.12.2011Ознайомлення із державними символами Перу (прапором та гербом). Характеристики географічного положення, державного устрою, населення, релігії країни. Особливості рельєфу та клімату. Розвиток промисловості, транспорту, аграрного сектору економіки.
презентация [4,7 M], добавлен 05.05.2015Географічне положення, формування території України. Тектонічна, геологічна, геоморфологічна будова, форми рельєфу: Східноєвропейська платформа, Волино-Подільська плита, Дніпровсько-Донецька западина, Донецька складчаста область; низовини, височини, гори.
презентация [8,0 M], добавлен 21.03.2014
