Вплив рельєфу земної поверхні на гідрологічні та ерозійні процеси в Прикарпатті

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний університет „Львівська політехніка”

УДК 528.7.551.556

ВПЛИВ РЕЛЬЄФУ ЗЕМНОЇ ПОВЕРХНІ НА ГІДРОЛОГІЧНІ ТА ЕРОЗІЙНІ ПРОЦЕСИ В ПРИКАРПАТТІ

Спеціальність 05.24.02 - фотограмметрія і картографія

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Кравець Олена Ярославівна

Львів 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Рудий Роман Михайлович, завідувач кафедри землевпорядкування та кадастру Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу.

Офіційні опоненти:

· доктор технічних наук, професор Бурштинська Христина Василівна, професор кафедри фотограмметрії та геоінформатики Національного університету „Львівська політехніка”, м. Львів;

· кандидат технічних наук, доцент Барановський Валентин Дмитрович, Київський національний університет ім. Т. Шевченка, м. Київ.

Провідна установа: Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 28 квітня 2006 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13 при Національному університеті „Львівська політехніка” за адресою: 79013, м. Львів - 13, вул. С. Бандери, 12, ауд. 518 II навч. корпусу.

З дисертацією можна ознайомитись в науковій бібліотеці Національного університету „Львівська політехніка” за адресою 79013, м. Львів, вул. Професорська, 1.

Автореферат розісланий 21 березня 2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої Вченої ради Д 35.052.13

доктор технічних наук С.Г. Савчук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Сучасні напрямки розвитку геодезичної науки передбачають створення геоінформаційних систем і моделювання природних процесів. Одним з найважливіших об'єктів моделювання є рельєф. Зростає роль досліджень, пов'язаних з аналізом і класифікацією рельєфу земної поверхні.

Рельєф є провідним елементом при дослідженні геологічних, екологічних, ландшафтних об'єктів. Дослідження рельєфу є актуальними при виконанні кадастрових робіт. Оскільки від рельєфу залежить розробка ґрунтозахисних систем в землеробстві, систем регулювання поверхневого стоку, заходів боротьби з ерозією ґрунтів, відновлення їх родючості, то саме такі характеристики як довжина, крутизна і експозиція схилів є визначальними у вивченні ерозійних процесів.

Параметри рельєфу є об'єктом морфометричних досліджень. Карти глибини і щільності розчленування рельєфу, віддаленості від гідрографічної мережі, карти залишкового рельєфу відіграють важливу роль при вирішенні геоморфологічних, екологічних, ландшафтних досліджень.

Особливо важливу роль відіграє рельєф при прогнозуванні повеневих і паводкових стоків. Дощові паводки в гірських і передгірських районах часто мають катастрофічний характер. Вони формуються під впливом таких факторів як інтенсивність і тривалість опадів, умови фільтрації води, але основним фактором є рельєф.

Усі ці задачі розв'язуються комплексно за умови створення геоінформаційних систем на основі цифрових моделей рельєфу. Створення ефективних геоінформаційних систем, цифрових моделей рельєфу і розв'язання на їх основі різних народногосподарських задач є важливим напрямком розвитку геодезичної науки. Ця дисертаційна робота присвячена питанням дослідження методів і точності цифрового моделювання рельєфу, розв'язання на основі ЦМР задач розрахунку і прогнозу гідрологічних процесів, дослідження ерозійних процесів, визначення морфометричних характеристик рельєфу з метою найбільш ефективного використання земельних ресурсів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи пов'язана з науковою та навчальною роботою кафедри інженерної геодезії і кафедри землевпорядкування та кадастру Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу, з планами госпдоговірних науково-дослідних тем та держбюджетної науково-дослідної теми „Проблеми геодезичного забезпечення екологічних досліджень та кадастру”.

Мета дослідження. Метою дисертаційної роботи є дослідження методів і точності цифрового моделювання рельєфу, побудова цифрової моделі рельєфу і на її основі розробка алгоритмів і програм врахування характеристик рельєфу при гідрологічних, меліоративних і екологічних дослідженнях. рельєф ерозійний гідрологічний моделювання

Об'єктом досліджень є рельєф Івано-Франківської області, а предметом досліджень є моделювання гідрологічних, водноерозійних процесів, визначення морфометричних характеристик рельєфу.

Для досягнення цієї мети в дисертаційній роботі розв'язано такі задачі:

- аналіз методів і точності побудови цифрових моделей рельєфу;

- побудова цифрової моделі рельєфу Івано-Франківської області;

- розробка методів морфометричного картографування;

- розробка методу моделювання паводкового стоку;

- дослідження ерозійних процесів на основі ЦМР.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Виконано оцінку точності побудови ЦМР на моделях і реальних об'єктах. Встановлено, що тільки метод тріангуляції задовольняє вимогам інструкцій топографічних знімань. Метод Крайгінга дає найкращі результати при відновленні рельєфу за картографічними матеріалами.

2. Розроблено карти рельєфу, крутизни і експозиції схилів Івано-Франківської області і виконано аналіз точності цифрової моделі рельєфу.

3. Запропоновано методику побудови морфометричних карт.

4. Розроблено метод розрахунку параметрів паводкового стоку за ЦМР.

5. Запропоновано метод визначення розподілу сонячної енергії.

6. Виконано дослідження впливу рельєфу при вивченні ерозійних процесів.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено методи створення морфометричних карт, карт розподілу сонячної енергії, карт ерозійного потенціалу рельєфу, метод прогнозування паводкових стоків.

Розроблені методи прийняті до впровадження в Науково-дослідному інституті геодезії і картографії, в Івано-Франківському науково-дослідному і проектному інституті землеустрою, а також в навчальному курсі „Моніторинг та охорона земель”, що викладається в Івано-Франківському національному технічному університеті нафти і газу.

Основні положення, що виносяться на захист:

1. Порівняльна оцінка точності методів цифрового моделювання рельєфу і вибір оптимальних методів побудови ЦМР.

2. Розробка цифрової моделі рельєфу Івано-Франківщини та її морфометричний і статистичний аналіз.

3. Методика створення морфометричних карт довжин схилів, довжин стоку, ерозійного потенціалу та інших.

4. Розрахунок паводкового стоку на основі розробленого алгоритму і програми.

5. Результати моделювання водноерозійних процесів на основі ЦМР.

Особистий внесок здобувача. Подані в дисертації дослідження, алгоритми розроблених моделей і експериментальні роботи виконані автором самостійно. В наведених опублікованих роботах, виконаних в співавторстві, здобувачу належать алгоритми математичного моделювання, їх програмна реалізація і експериментальна перевірка.

Апробація результатів роботи. Результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу (м. Івано-Франківськ, 1999-2002 р.р.), на міжнародних науково-технічних конференціях „Сучасні досягнення геодезичної науки і виробництва” (м. Львів, 2002, 2003, 2004, 2005 р.), на науково-практичній конференції „Сучасний стан навколишнього середовища промислових та гірничопромислових регіонів. Проблеми і шляхи вирішення” (м. Алушта, АР Крим, 2004 р.).

Публікації. Основні положення дисертації опубліковано в наукових фахових журналах і матеріалах науково-практичної конференції. Всього опубліковано 8 робіт, в тому числі 6 одноосібних, з них 4 статті в фахових журналах.

Структура і об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел з 129 найменувань. Робота містить 42 рисунки і 13 таблиць. Загальний обсяг роботи складає 138 стор.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і задачі досліджень, визначено новизну і практичну цінність одержаних результатів, сформульовано основні положення, що виносяться на захист, приведено дані про публікації, апробацію, структуру та обсяг роботи.

В першому розділі виконано аналіз методів цифрового моделювання рельєфу, гідрологічних, водноерозійних процесів за літературними джерелами, розглянуто методи і точність відображення рельєфу в цифрових моделях. Цифрові моделі рельєфу розробляються вже більше 30 років. Цим питанням присвячені роботи таких вчених: Бурак К.О., Бурштинська Х.В., Дорожинський О.Л., Жарновський О.О., Журкін І.Г., Карпінський Ю.А., Куриляк І.С., Лімонтов Л.Я., Малявський Б.К., Мельник В.М., Рудий Р.М., Шинкаренко Г.А., P. Frederiksen, K. Kubik, J. Krcho та багато інших вітчизняних та зарубіжних вчених. За цей час створено десятки методів математичного моделювання рельєфу, розроблено класифікації ЦМР залежно від способів апроксимації рельєфу, розміщення вихідних точок моделі, способів підготовки вихідної інформації.

Для апроксимації використовувались різні функції: алгебраїчні поліноми, ортогональні поліноми Ньютона, мультиквадрикові функції, сплайн-функції, ряди Фур'є та інші. Багато з цих методів на сьогоднішній день застаріли, мають тільки історичний інтерес.

На основі проведеного аналізу методів створення ЦМР, гідрологічних та ерозійних процесів вибрані напрямки досліджень, виконаних в дисертації.

В другому розділі виконано дослідження точності моделювання рельєфу пакетом програм Surfer. Пакетом Surfer передбачено кілька методів апроксимації, з яких найбільший інтерес мають метод Крайгінга і метод тріангуляції.

При зображенні рельєфу в ЦМР в вигляді системи трикутних граней основну роль відіграють похибки узагальнення рельєфу, які можуть значно перевищувати похибки геодезичних вимірів. При їх дослідженні використовують методи математичної статистики.

Дослідження похибок узагальнення рельєфу виконано на моделях, за які прийняті поверхні, що описані рівняннями вигляду:

, (1)

де a, b, n, m, k, d - довільні коефіцієнти.

Такі поверхні, які подібні до топографічних, прийнято за вихідні. По них набирались пікети за правилами топографічного знімання. Поверхні, побудовані за пікетними точками, порівнювались з вихідною поверхнею. Моделювання виконувалось за програмою Surfer методом тріангуляції. Експеримент виконано на шести моделях. Характеристику моделей наведено на рис. 1. Ділянки приведено до масштабу 1:1000. Розмір ділянок 100100 м.

Середні квадратичні похибки визначено за різницями висот 121 контрольних точок, розміщених в вершинах квадратної сітки розміром 1010 м. Результати моделювання подано в табл. 1.

Одержані результати показали, що метод тріангуляції повністю відповідає вимогам топографічних інструкцій щодо точності зображення рельєфу. Тому подальші дослідження було виконано на реальних топографічних поверхнях. Дані для моделювання підготовлено за топографічними планами. Характеристики ділянок і результати моделювання приведено в табл. 2.

Горизонталі, отримані методом тріангуляції, практично співпали з горизонталями, проведеними на топографічних планах. Це означає, що цей метод повністю розв'язує задачу зображення рельєфу. Всі інші методи не задовольняють топографічні вимоги. В табл. 2 подано максимальні відхилення висот _max, отриманих методом Крайгінга, від поверхні, описаної методом тріангуляції. Порівняння виконано по 121 контрольних точках, розміщених в вершинах квадратних сіток.

На основі виконаних досліджень зроблено такий висновок. Тільки метод тріангуляції розв'язує задачу зображення рельєфу в ЦМР за даними топографічних знімань з необхідною точністю. Підвищення точності легко досягається збільшенням кількості пікетів на складних ділянках рельєфу.

Метод Крайгінга дає надійні результати при побудові ЦМР за даними електронної карти у випадку, коли всі вихідні точки знаходяться на горизонталях.

В третьому розділі за даними електронної карти масштабу 1:200000, розробленої в Науково-дослідному інституті геодезії і картографії, і з використанням пакету програм Surfer було розроблено ЦМР Івано-Франківської

Таблиця 1

Похибки узагальнення рельєфу

Номер моделі	Кількість пікетів	Середні ухили	Середня віддаль між пікетами, м	Середні квадратичні похибки, м	Максимальні відхилення, м
1 2 3 4 5 6	41 39 22 53 66 37	0,02 0,02 0,03 0,03 0,04 0,01	20 20 25 20 15 20	0,030 0,036 0,052 0,033 0,027 0,025	0,11 0,10 0,16 0,08 0,06 0,10

області і окремих її частин: басейну ріки Бистриці Солотвинської, району Яремчі, Рогатинського району. Створені карти окремо гірської та рівнинної частини області. Всього було використано більше ніж 1,5 мільйона вихідних точок. Крім карт рельєфу, побудовано карти крутизни схилів та експозиції, які можуть бути використані при розв'язанні таких задач, як визначення лавинонебезпечних і зсувонебезпечних ділянок за картами крутизни, для візуалізації структурних ліній рельєфу. Інформація, одержана за допомогою ЦМР дозволяє розв'язувати геоморфологічні, гідрологічні, сільськогосподарські задачі та виконувати візуалізацію структурних ліній рельєфу. Цифрова модель рельєфу Івано-Франківської області подана на рис. 2.

За ЦМР розроблено алгоритм побудови морфометричних і морфографічних карт, який полягає в наступному:

- за ЦМР створюють карту експозицій схилів, з візуалізованими структурними лініями рельєфу;

- визначають координати точок на структурних лініях і формують масиви координат точок на вододільних лініях і лініях гідрографічної мережі, включаючи сухі водостоки;

- для кожної точки грід-моделі обчислюють віддалі до всіх точок на структурних лініях, вибирають найменші віддалі до вододілів і до гідрографічної мережі, визначають суму цих віддалей і формують масиви мінімальних віддалей і їх сум;

- за значеннями мінімальних віддалей створюють карти довжин стоку або віддалей до вододілів, карти віддалей до гідрографічної мережі, карти довжин схилів;

- за координатами точок на вододільних лініях створюють карти вершинного рельєфу, а за координатами точок на структурних лініях від'ємних форм рельєфу - карти ізобазіт, можуть бути різних порядків;

- за різницями висот карт вершинного рельєфу і топографічної поверхні створюють карти глибини розчленування рельєфу, а за різницями висот топографічної поверхні і базисних поверхонь створюють карти залишкового рельєфу, а також визначають об'єм гірських порід, що лежать вище базисних поверхонь. Аналогічно створюють карти різниць вершинних і базисних поверхонь різних порядків;

- для кожної точки гідрографічної мережі за координатами сусідніх точок визначають ухили, за якими створюють карти ухилів гідромережі.

За запропонованим алгоритмом розроблено програму на мові Object Pascal в середовищі Borland Delphi і створено морфометричні карти для басейну ріки Бистриця Солотвинська для поста Гута. Одну з цих карт наведено на рис. 3.

За ЦМР виконано дослідження рельєфу області статистичними методами. Визначення розподілу висот в дисертації виконано для гірських і рівнинних ділянок, розміщених в Рогатинському і Яремчанському районах. Розподіл визначено за вихідними точками моделі і точками grid-моделі. Статистичні характеристики розподілів наведено в табл. 3.

Таблиця 3

Розподіл висот

	Яремча	Гута	Рогатин
	Грід	Вих.	Грід	Вих.	Грід
Кількість точок, тис Hmin Hmax Hmax-Hmin Hсер Медіана уH ДH Коеф. варіації Асиметрія Ексцес	90 545 1325 780 898 887 172 142 0,19 0,20 -0,60	15 560 1370 760 926 920 159 131 0,17 0,15 -0,63	8,5 555 1820 1264 1022 981 261 214 0,25 0,56 -0,28	22 560 1818 1258 1064 1040 249 205 0,23 0,48 -0,35	380 177 442 265 296 293 48 38 0,16 0,30 425

За параметрами розподілу можна здійснити класифікацію рельєфу залежно від перепаду висот, їх дисперсії, асиметрії розподілу. Асиметрія може бути характеристикою процесів, які формують рельєф.

В четвертому розділі розглянуто гідрологічні задачі, а саме розрахунок і прогноз паводкового стоку. Методи прогнозування максимального стоку належать до найважливіших гідрологічних розрахунків, оскільки повені і паводки часто мають катастрофічний характер особливо в гірських районах. Прикладом є закарпатські і прикарпатські паводки останніх років. Тому актуальною залишається тема гідрологічних розрахунків паводкових стоків.

Важливою є розробка моделей паводків з метою прогнозування стоку для своєчасного вживання заходів для мінімізації втрат від повені, проектування, будівництва і експлуатації водорегулюючих споруд. Такі моделі повинні містити максимальну інформацію про метеорологічні і гідрологічні фактори, про рельєф, який є одним з основних факторів формування паводків.

Існує дуже багато методів розрахунків максимальних витрат води, які умовно поділяють на строгі та спрощені. Строгі методи ґрунтуються на розв'язанні системи диференціальних рівнянь Сен-Венана, але при відсутності достатньої інформації про рельєф кінцеві результати цих розв'язків будуть наближеними.

Для розрахунків максимальних витрат води використовуються також авторські формули Веліканова М.А., Кочеріна Д.І., Соколовського Д.Л., Протодьяконова М.М. та інших авторів. Метод Веліканова передбачає побудову ізохрон - ліній одночасного добігання води до розрахункового створу. Ізохрони можна побудувати тільки при наявності детальної інформації про рельєф.

Для розв'язання цієї задачі запропоновано алгоритм прогнозування паводкового стоку на основі цифрової моделі рельєфу, яка містить максимальну інформацію про рельєф басейну ріки.

Вихідними даними для розв'язку задачі є:

- масив координат точок поверхні землі, заданих в вершинах регулярної прямокутної сітки Х_м, Y_м, Z_м;

- масив координат точок річкової системи Х_р, Y_р, Z_р;

- масив координат точок, розміщених на водорозділах Х_в, Y_в, Z_в;

- координати розрахункового створу Х_о, Y_о, Z_о.

В першу чергу визначають довжину схилового стоку для кожної точки моделі з координатами Х_м, У_м, Z_м. Для цього визначають віддалі l від точки моделі М до всіх точок річкової системи:

. (2)

Із визначених віддалей l вибирають l _min до найближчої точки ріки І і здійснюють перевірку, чи вибрана лінія МІ не перетинає водороздільну лінію. Для цього аналогічно за формулою (2) визначають віддалі від точки М до двох найближчих точок K i N на водорозділі і координати точки P перетину ліній МІ і KN за формулами:

(3)

Якщо X_P>0 i Y_P>0, то точка перетину існує. В цьому випадку точку І виключають з масиву і вибирають іншу найближчу точку. Такі обчислення виконують, поки відрізки МІ і NK не будуть мати точки перетину. Таким чином буде визначена довжина лінії схилового добігання води.

Для визначення шляху руслового добігання визначають віддалі ДL_i від вибраної точки ріки І до всіх точок масиву річкової системи X_P, Y_P, Z_P.

З обчислених ДL_i вибирають ДL_min за умови, що Z_I-Z_P>0. При цьому здійснюють перевірку за формулами (3), чи не перетинає відрізок ДL вододільної лінії. Від вибраної таким чином точки ріки здійснюють пошук наступної найближчої точки з масиву річкової системи. Обчислення виконують поки вибраною точкою не буде точка розрахункового створу з координатами Х_о, Y_o, Z_o. Шлях річкового добігання визначають за формулою:

. (4)

Час добігання води по басейну складається з схилового і руслового добігання:

, (5)

де v_сх - швидкість схилового стікання,

v_p - швидкість руслового стікання.

Швидкість схилового стікання води часто визначають за формулою:

, (6)

де h - висота шару води, що стікає,

і - ухил поверхні стікання,

с - коефіцієнт шорсткості.

Руслову швидкість можна розрахувати за формулою Шезі-Павловського:

, (7)

де R - гідравлічний радіус.

В формулах (6 - 7) коефіцієнти m, n, c змінюються залежно від умов стікання води. Тому для уточнення значення руслової і схилової швидкості для окремих регіонів виконують спеціальні дослідження.

Дослідження, виконані Лютіком П.М., показали, що схилова швидкість для карпатських рік складає 0,2 - 0,3 м / сек., а руслова швидкість - 2 - 2,5 м / сек.

Об'єм стоку за інтервал часу ДТ визначають за формулою:

, (8)

де N - число Т_і, які попали в інтервал ДТ,

F - площа квадрата регулярної сітки моделі,

h - шар водовіддачі.

За приведеним вище алгоритмом розроблено програму на мові Object Pascal в програмному середовищі Borland Delphi 5.0 для розрахунку паводкового стоку. За цією програмою і цифровою моделлю рельєфу басейну ріки Бистриця Солотвинська для поста Гута було виконано розрахунок паводкового стоку червневого паводку 1969 року, який був найбільшим за всі роки спостереження. На рис. 4 наведено карту басейну ріки Бистриця Солотвинська для створу Гута. На рис. 5 подано карту басейнових ізохрон, побудованих за розробленим алгоритмом. Швидкість схилового стікання прийнята 0,3 м/с, а руслового стікання - 2,5 м/с.

За гідрометричними даними про опади в період з 8 по 11 червня 1969 року і даними цифрової моделі рельєфу було розраховано гідрограф стоку ріки Бистриця Солотвинська, який повністю узгоджується з даними спостережень, що свідчить про достовірність розробленої моделі паводкового стоку.

Запропонований метод прогнозування і розрахунку максимального стоку розв'язує проблему побудови карт ізохрон і обчислення об'ємів стоку за ними. Може бути розв'язана також задача визначення шару водовіддачі, який залежить від шару опадів і втрат води на фільтрацію. Ці параметри, які є функціями часу і координат, доповнюють цифрову модель рельєфу, створюючи фізико-математичну модель гідрологічного процесу.

В п'ятому розділі розглянуто проблему ерозії ґрунтів. Проблема ерозії внаслідок інтенсифікації господарської діяльності, нераціонального використання земельних ресурсів, порушення екологічної рівноваги стала дуже актуальною. Орні землі України щорічно втрачають сотні мільйонів тонн ґрунту, мільйони тонн гумусу, мінеральних добрив. Все це може призвести до екологічної катастрофи. Для зменшення загрози деградації ґрунтів необхідно розробити науково обґрунтовані протиерозійні заходи, які базуються на сучасних моделях ерозійних процесів. В дисертації виконано аналіз ерозійних процесів на прикладі Рогатинського району.

Для того, щоб глибше вивчити цей надскладний процес ерозії і розробити заходи з мінімізації її впливу, необхідна різностороння картографічна інформація: карти ґрунтів, карти розораності території, карти довжин, крутизни і експозиції схилів, карти потужності гумусного шару, карти ерозійного потенціалу схилів і багато інших. Значна частина цих карт створюється на основі цифрової моделі рельєфу.

Водна ерозія є дуже складним процесом, який визначається багатьма факторами. Це фактори, які формують схиловий стік і фактори ерозійної стійкості ґрунту, опору ґрунту до змиву. Найбільш повно ці фактори представлені в універсальному рівнянні ерозії, розробленому Уішмаєром. Існують інші формули ерозії, запропоновані А.І. Костюковим, Я.В. Корнєєвим, А.В. Цінгом, І.Г. Ніілом. В усіх цих формулах присутні такі топографічні фактори ерозії, як довжина стоку L і крутизна схилу J.

Середній змив W визначається залежністю:

, (9)

де а - коефіцієнт, який відображає вплив інших факторів ерозії,

n i p - показники степені, які у різних авторів мають різні значення.

За розробленим в дисертації методом, який описано в третьому розділі, побудовано карти довжини стоку і крутизни схилів. Для кожної точки моделі визначено топографічний фактор рельєфу SL:

. (10)

За значеннями SL побудовано карту ерозійного потенціалу рельєфу, яка наведена на рис. 6.

Впливає на ерозійність ґрунтів і експозиція схилів, на що вказують дослідження Волощука М.Д., Сурмача Г.П., Швебса Г.І.. Відзначається, що південні схили краще прогріваються, що призводить до більш інтенсивного сніготанення. З метою визначення цього впливу запропоновано метод визначення інтенсивності розподілу сонячної енергії залежно від експозиції і крутизни схилів і висоти Сонця.

В дисертації розроблено формулу визначення величини потоку сонячної енергії E_C на схил S_C, яка залежить від висоти h, азимута A і схилення Сонця д, широти ділянки ц, кута нахилу н і азимута схилу б:

, (11)

де E_O=1,36·10³ВТ/м²·сек.,

. (12)

За цією формулою було визначено розподіл сонячної енергії на ділянці Путятинці протягом одного дня і в період з 22 березня по 22 вересня. Ці дані подані в табл. 4 - 5.

Таблиця 4

Розподіл коефіцієнта сонячної енергії K_C на ділянці Путятинці на протязі дня 22 червня

Висота Сонця h	1°	5°	10°	15°	20°	30°	40°	50°	64°	Сер.за день
KC	0,02	0,10	0,18	0,25	0,34	0,48	0,49	0,75	0,89	0,52

Таблиця 5

Розподіл коефіцієнта сонячної енергії K_C на ділянці Путятинці в період з 22 березня по 22 вересня

Дата	22.03	22.04	22.05	22.06	22.07	22.08	22.09
KC	0,34	0,47	0,47	0,52	0,47	0,47	0,34
Тр.дня tгод	12,0	14,2	15,6	16,3	15,6	14,2	12,0
KC·t	4,08	6,67	7,33	8,48	7,33	6,67	4,08
(KC·t)сер	5,38	7,00	7,90	7,90	7,00	5,38

Наближене значення величини сонячної енергії за період з 22 березня по 22 вересня визначено за формулою:

. (13)

Розподіл інтенсивності сонячної енергії в плані в полудень 22 червня наведено на рис. 7.

Разом з тим запропонований метод дозволяє підійти до визначення впливу експозиції на ерозію ґрунтів. На ділянці Путятинці були виділені північні схили з експозицією від 315° до 45°, східні - 45°-135°, південні - 135°-225° і західні - 225°-315°. Для кожного з них знайдено значення коефіцієнта сонячної енергії, які подано в табл. 6.

Дані, наведені в табл. 6, підтверджують думку, що ерозійність південних схилів на 10-15% більша ніж північних, враховуючи те, що температурний

Таблиця 6

Розподіл коефіцієнта сонячної енергії в залежності від експозиції схилів

Експозиція	KC	KC / 0,640
315°-45° 45°-135° 135°-225° 225°-315°	0,591 0,640 0,686 0,645	0,92 1,00 1,07 1,01

режим схилів відповідає умовам інсоляції. Правда, подібний висновок зроблено тільки на одному прикладі і для більш впевнених висновків необхідні більш ґрунтовні дослідження. Але все-таки запропонований метод вивчення ерозійних процесів може бути складовою частиною водноерозійної моделі.

Розроблені на основі цифрової моделі рельєфу методи аналізу ерозійних процесів можуть бути застосовані при виконанні кадастрових робіт, розробці заходів по раціональному використанню земельних ресурсів.

Визначення об'ємів змиву ґрунтів здійснюється на основі польових ґрунтових досліджень, які останнім часом практично не проводяться. Показником змиву ґрунту можуть бути результати дослідження вмісту гумусу і мінеральних добрив в ґрунтах, які виконуються Івано-Франківським центром „Облдержродючість”.

За цими даними було зроблено спробу визначити ступінь еродованості землі. В табл. 7 наведено результати досліджень вмісту гумусу, калійних і фосфорних добрив на об'єкті Путятинці, виконаних в 1996 і 2001 роках. Пункти відбору зразків ґрунту показано на рис. 6.

За даними табл. 7 виконано дослідження кореляційної залежності між величинами втрат гумусу, калію, фосфору і кутами нахилу та ерозійним потенціалом ґрунту.

Встановлено, що між величиною втрати гумусу і ухилом поверхні, а також ерозійним потенціалом ґрунту існує тісний кореляційний зв'язок: коефіцієнти кореляції дорівнюють відповідно 0,78 і 0,68. Кореляційний зв'язок має місце, хоч і в меншій мірі, між ерозійним потенціалом і ухилами поверхні з однієї сторони і втратами фосфору з другої. Коефіцієнти кореляції відповідно дорівнюють 0,58 і 0,56. Що стосується втрат калію, то такої залежності не виявлено.

Розраховано також коефіцієнти кореляції між крутизною схилів і площами слабо-, середньо- та сильнозмитих ґрунтів. Значення коефіцієнтів кореляції знаходяться в межах 0,67 - 0,78.

Виконаний аналіз ерозійної ситуації в Рогатинському районі показав можливості використання розроблених карт крутизни схилів і ерозійного потенціалу ґрунтів для кількісної оцінки ерозійних процесів. Ці карти можуть бути використані і для проектування протиерозійних валів, терас та інших гідротехнічних споруд.

Таблиця 7

Характеристика вмісту гумусу, калію і фосфору на об'єкті Путятинці

№	Вміст в 1996р.	Вміст в 2001р.	Втрати за 5 років	Ухил в град.	Ероз. потен. SL
	Гумусу в %	Калію в мг/кг	Фосфору в мг/к	Гумусу в %	Калію в мг/кг	Фосфору в мг/кг	Гумусу в %	Калію в мг/кг	Фосфор мг/кг
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18	2,74 1,98 3,48 3,53 3,80 3,80 3,32 3,43 2,64 3,32 2,64 2,69 3,32 3,58 3,50 3,90 3,90 3,58	138 115 251 160 122 160 122 116 90 150 150 138 200 75 65 174 169 175	193 99 98 190 101 106 116 221 51 180 130 151 127 150 108 169 176 107	2,04 1,91 2,96 3,32 3,32 3,13 3,07 3,03 1,74 3,23 2,53 1,69 3,08 3,03 2,78 3,07 3,27 2,78	96 112 167 160 96 72 78 77 69 132 130 130 103 56 65 90 107 104	123 66 74 190 52 45 57 158 46 106 105 106 62 110 100 83 108 88	0,74 0,07 0,52 0,21 0,48 0,67 0,25 0,40 0,90 0,10 0,11 1,00 0,24 0,25 0,32 0,23 0,21 0,30	42 3 84 0 26 88 44 39 11 18 20 8 97 19 0 84 62 71	70 33 24 0 49 61 59 63 5 24 25 45 65 40 8 86 68 19	4 2 4 3 6 6 4 8 7 3 3 7 5 3 5 3 3 5	3,5 0,8 1,8 1,0 1,7 3,5 2,5 2,8 2,5 2,0 0,5 3,0 3,0 1,8 2,1 2,3 2,1 2,0

Висновки

За результатами досліджень можна зробити такі висновки.

1. Виконано аналіз методів і точності цифрового моделювання рельєфу. Розглянуто існуючі методи створення ЦМР. Виконано дослідження точності апроксимації рельєфу методами тріангуляції і Крайгінга на теоретичних моделях і реальних топографічних поверхнях. Показано, що тільки метод тріангуляції розв'язує задачу зображення рельєфу з необхідною точністю за матеріалами топографічних знімань. Метод Крайгінга придатний для моделювання гладких непорушених форм рельєфу, а також при відновленні рельєфу за картографічними матеріалами.

2. За даними електронної карти і з використанням пакету програм Surfer створено ЦМР Івано-Франківської області і окремих її районів. За ЦМР побудовано карти крутизни і експозиції схилів. Запропоновано методику візуалізації структурних ліній рельєфу, виконано дослідження рельєфу статистичними методами.

3. Розроблено метод створення морфометричних карт. Створено карти довжин схилів, карти віддалей до вододілів, віддалей до гідрографічної мережі, карти ерозійного потенціалу землі. Ці карти можуть служити основою для створення моделі водноерозійних процесів і геоінформаційних систем сільськогосподарського призначення.

4. Розроблено метод прогнозування паводкових стоків на основі ЦМР і генетичної формули стоку, який вирішує проблему побудови карт ізохрон і обчислення об'ємів стоку. Запропоновано на основі ЦМР створити просторово-часову гідрологічну модель паводкового стоку. Виконано моделювання за розробленими алгоритмами і програмами.

5. Розроблено метод визначення сонячної енергії за ЦМР. Визначено її величину і розподіл впродовж доби і року. Побудовано карту розподілу сонячної енергії в плані. Показано, що південні схили освітлені на 15 % більше ніж північні, що призводить до підвищеної ерозійності південних схилів. Запропоновано використовувати цей метод при виконанні кадастрових робіт і грошовій оцінці земель сільськогосподарського призначення.

6. Виконано аналіз ерозійних процесів в Рогатинському районі Івано-Франківської області. Розроблено карту ерозійного потенціалу рельєфу. Встановлено тісну кореляційну залежність між втратами гумусу і фосфору та ерозійним потенціалом рельєфу. Коефіцієнти кореляції склали відповідно 0,68 і 0,56. Показано можливість використання карт ерозійного потенціалу для кількісної оцінки ерозійних процесів.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кравець О.Я. Про точність зображення рельєфу в ЦМР. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів: Ліга-Прес. 2002. С. 356-359.

2. Кравець О.Я. Дослідження ерозійних процесів з використанням ЦМР. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів: Ліга-Прес. 2003. С. 292-294.

3. Кравець О.Я. Алгоритм прогнозування паводочного стоку. // Екологія довкілля та безпека життєдіяльності. №1. Київ. 2005. С. 33-36.

4. Кравець О.Я. Розрахунок паводочного стоку на основі ЦМР. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів: Ліга-Прес. 2004. С. 299-303.

5. Кравець О.Я. Урахування факторів рельєфу підчас дослідження ерозійних процесів. // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. №3/9. Івано-Франківськ. 2004. С. 129-131.

6. Кравець О.Я. Моделювання гідрологічних процесів в Карпатах на основі цифрової моделі рельєфу. // Матеріали науково-практичної конференції „Сучасний стан навколишнього природного середовища промислових та гірничопромислових регіонів. Проблеми та шляхи вирішення”. Алушта. 2004. С. 84-85.

7. Рудий Р.М., Кравець О.Я., Кравець Я.С. Визначення морфометричних характеристик рельєфу для класифікації сільськогосподарських угідь. // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва. Львів: Видавництво національного університету „Львівська політехніка”. 2005. С. 362-366.

8. Кравець О.Я., Рудий Р.М., Кравець Я.С. Моделювання рельєфу при вирішенні інженерних та екологічних завдань. // Науковий вісник Івано-Франківського національного технічного університету нафти і газу. №1/10. - Івано-Франківськ. 2005. С. 131-137.

Анотація

Кравець О.Я. Вплив рельєфу земної поверхні на гідрологічні та ерозійні процеси в Прикарпатті. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.24.02 - фотограмметрія і картографія. - Національний університет „Львівська політехніка”, Львів, 2006.

Дисертаційна робота присвячена дослідженню методів і точності цифрового моделювання рельєфу, створенню цифрової моделі рельєфу і на її основі розробці алгоритмів і програм врахування характеристик рельєфу при гідрологічних, землевпорядних та екологічних дослідженнях.

За даними електронної карти і з використанням пакету програм Surfer створено ЦМР Івано-Франківської області і окремих її частин. За ЦМР побудовано карти крутизни і експозиції схилів, розроблено методи побудови морфометричних карт довжин схилів, віддалей до гідрографічної мережі і до вододілів, ухилів гідрографічної мережі, глибини розчленування рельєфу, карт ізобазіт і карт вершинного рельєфу.

Розроблено метод розрахунку паводкових стоків на основі генетичної формули стоку і ЦМР, який розв'язує проблему побудови карт ізохрон і обчислення об'ємів стоку.

Розроблено метод визначення величини і розподілу сонячної енергії в плані і в часі. Запропоновано використовувати цей метод в кадастрових роботах при економічній оцінці земель сільськогосподарського призначення.

Виконано аналіз ерозійних процесів в Рогатинському районі з використанням ЦМР. Розроблено метод побудови карт ерозійного потенціалу рельєфу. Встановлено тісну кореляційну залежність між ерозійним потенціалом рельєфу і втратами гумусу. Отримані практичні результати і розроблені методи направлені на застосування в ГІС сільськогосподарського призначення.

Ключові слова: цифрова модель рельєфу, схил, експозиція, ерозія, стік, гідрологія, сонячна енергія, морфометрія.

Аннотация

Кравец Е.Я. Влияние рельефа земной поверхности на гидрологические и эрозионные процессы в Прикарпатье. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.24.02 - фотограмметрия и картография. - Национальный университет “Львовская политехника”, Львов, 2006.

Диссертационная работа посвящена исследованию методов и точности цифрового моделирования рельефа, созданию цифровой модели рельефа и на её основании разработке алгоритмов и программ учёта характеристик рельефа при гидрологических, землеустроительных и экологических исследованиях.

Выполнены исследования точности построения ЦМР методами триангуляции и Крайгинга на моделях и реальных топографических поверхностях. Получены результаты, показывающие, что только метод триангуляции решает задачу изображения рельефа по данным топографической съёмки с необходимой точностью. Метод Крайгинга дает надежные результаты при восстановлении рельефа по картографическим материалам, когда выходные точки модели находятся на горизонталях.

По данным электронной карты и с использованием пакета программ Surfer была создана ЦМР Ивано-Франковской области и отдельных её частей. По ЦМР построены карты крутизны и экспозиции склонов, разработаны методы построения морфометрических карт длин склонов, расстояний до гидрографической сети и до водоразделов, уклонов гидрографической сети, глубины расчленения рельефа, карт изобазит и карт вершинного рельефа.

Выполнен статистический анализ распределения высот, спектральный анализ горного и равнинного образцов рельефа. Предложен метод выделения с помощью ЦМР лавиноопасных горных участков.

Разработан метод расчёта паводочных стоков на основании генетической формулы стока и ЦМР. Выполнено моделирование паводка. Построены карты изохрон бассейнового и склонового стоков и гидрограф паводочного стока. Предложено создать на основе ЦМР пространственно-временную гидрологическую модель паводочного стока.

Разработан метод определения интенсивности и распределения солнечной энергии в зависимости от экспозиции и крутизны склонов и высоты Солнца над горизонтом. Показано, что южные склоны освещены на 15% больше, чем северные, что вызывает повышенную эрозию южных склонов. Предложено использовать разработанные методы оценки эрозионного потенциала и освещенности территории при выполнении кадастровых работ и экономической оценке земли.

Выполнен анализ эрозионных процессов в Рогатынском районе Ивано-Франковской области с использованием ЦМР. Разработан метод построения карт эрозионного потенциала рельефа. Установлена тесная корреляционная зависимость между эрозионным потенциалом рельефа и потерями гумуса и фосфора. Показана возможность использования карт эрозионного потенциала для количественной оценки эрозионных процессов.

Полученные практические результаты и разработанные методы направлены на использование в ГИС сельскохозяйственного назначения.

Ключевые слова: цифровая модель рельефа, склон, экспозиция, эрозия, сток, гидрология, солнечная энергия, морфометрия.

Annotation

Kravets E.Ya. The influence of a relief of Earth surface on hydrological and erosion processes in Pricarpathian. - Manuscript.

The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of technical science on a speciality 05.24.02 - photogrammetry and cartography. - National university “Lviv Politechnic”, Lviv, 2006.

The dissertation is devoted to research of methods and accuracy of digital modelling of a relief, creation of digital model of a relief and to development on its basis of algorithms and programs of the account of relief characteristics at hydrological, cadastre and ecological researches.

On the basis of an electronic map and package Surfer DEM of the Ivano-Frankivsk region and of its separate parts was created. The maps of a steepness and exposition of slopes are constructed, the methods of construction of morphometrical maps such, as maps of lengths of slopes, distances up to a hydrographical net and up to watersheds, slopes of a hydrographical net, depth of a partition of a relief, maps of isobasits and maps of a top relief are developed by DEM.

The method of account of high-flood drains which solves a problem of construction of maps of isochrones is developed on the basis of the genetic formula of a drain and DEM.

The method of definition of size and distribution of a solar energy in the plan and in time is developed. It is offered to use this method in cadastre works at an economic evaluation of grounds of agricultural purpose.

The analysis of erosive processes in Rogatin district with use of DEM is executed. The method of construction of maps of erosive potential of a relief is developed. The close correlation dependence between erosive potential of a relief and losses of humus is established. The received practical results and developed methods are directed on use in GIS of agricultural purpose.

Key words: digital model of a relief, slope, exposition, erosion, drain, hydrology, solar radiation, morphometry.

Размещено на Allbest.ru