Методы идентификации водотоков и типов русел: лабораторные и полевые исследования

Из-за региональных различий в геологии и гидрологическом режиме найти примеры каждого сегмента долины, водотока и участка русла в пределах одного водораздела, как правило, невозможно. Вместо этого потенциальные объекты для исследований обычно представляют собой определённые часто встречающиеся местные типы водосборов. В лабораторных условиях исследователи используют топографические карты и аэрофотоснимки, чтобы установить приблизительные границы распространения на основе уклона ручья, степени замкнутости долины, характера изгибов русла или значительных изменений в преобладающем типе горных пород. Основная цель лабораторных занятий, описанных в этой главе, — отработать навыки интерпретации карт и определить местоположение двух или более различных типов водотоков.

Хотя сегменты долины и типы водосбора можно выявить по картам и фотографиям, предварительная классификация обязательно должна быть подтверждена полевым посещением объекта. Идентификация участков русла по аэрофотоснимкам с низкой высоты практически невозможна для небольших ручьёв, скрытых пологом леса, и всегда требует полевых исследований. В лаборатории интересующий водоток может быть разделён на участки в зависимости от среднего уклона и видимой ограниченности долины (Монтгомери и Баффингтон, 1998). Топографические изменения уклона дают важную информацию о границах распространения (Бакстер и Хауэр, 2000).

Масштаб топографических карт (включая 7,5-минутные серии USGS) может как позволять, так и не позволять идентифицировать ключевые градиенты и изменения границ, которые отмечают переходы через русло в очень маленьких ручьях. Более того, карты могут неточно отображать извилистость или степень переплетения потоков в зависимости от размера потока, характеристик русла, возраста карты или разрешения. Тем не менее топографические карты необходимы для отображения изменений высотного профиля и вариаций приуроченности долин. Агентства по управлению природными ресурсами часто предоставляют аэрофотоснимки, которые должны дополнять информацию, полученную на основе карт. Аэрофотоснимки позволяют точно определить изменения формы русла ручьёв, не скрытых лесными пологами.

Ортофотографии (или ортографические фотографии) дают трёхмерное, хотя и несколько преувеличенное, изображение рельефа ландшафта, но требуют стереоскопического оборудования для считывания — от карманных стереоскопов (>20) до зеркальных отражающих стереоскопов (>2000). Наиболее полезны аэрофотоснимки с низкой высоты в масштабе 1:12 000 или крупнее, и их следует изучать по мере возможности. Геологические и почвенные карты помогают определить границы между геологическими формациями, что служит важным ключом к поиску типовых местоположений. Карты растительности или климатологии (например, осадков или стока), если они доступны, предоставляют дополнительную информацию о параметрах течения. Снимки со спутника Landsat полезны для анализа ландшафта в целом, но им недостаёт разрешения для определения границ небольших водотоков.

Затенённые рельефные изображения, полученные с помощью лазерной альтиметрии, или лидара (система обнаружения света и определения дальности), обеспечивают высокодетализированные топографические изображения, помогают определить границы участков (reach) и интерпретировать историю миграции каналов (Национальный центр воздушного лазерного картографирования, 2005). После предварительного разделения потока на границы распространения в лаборатории исследователи посещают контрастирующие участки и обследуют их целиком или частично пешком, используя критерии из таблиц 2.3 и 2.4 для определения единиц русла. Этот процесс часто занимает много времени в зависимости от доступности, протяжённости, характеристик прибрежной зоны и времени, необходимого для инвентаризации. В обследовании участков русла малых и средних рек обычно участвуют команды из двух-трёх человек, которые преодолевают 1–5 км в день.

Репрезентативные участки (reach) могут быть изучены при условии, что они включают примеры каждого типа канальных блоков, присутствующих во всём участке (Dolloff et al., 1993). Полезное эмпирическое правило: длина подвыборок зоны охвата должна составлять не менее 30–50 ширин канала. Например, при обследовании зоны охвата со средней шириной 10 м её протяжённость должна быть не менее 300–500 м. В ходе обследования команда проверяет правильность предварительной лабораторной классификации сегмента долины и типа охвата, отмечая любые существенные изменения в характере участка, особенно переходы от одного типа к другому. Наиболее часто изучаемыми экологами водотоков типами долин являются аллювиальные и коренные породы (а также легко распознаваемые коллювиальные участки). Диагностические характеристики долин приведены в таблице 2.2.

При обследовании канальных сооружений можно просто определить наличие и количество каждого типа сооружений в пределах досягаемости. Однако чаще исследователи стремятся установить процентную долю от общей площади или объёма, занимаемую каждым типом канальных единиц, на дату обследования. Простой подсчёт количества и типов устройств может быть выполнен почти так же быстро, как при обходе территории, но оценка площади или объёма может потребовать значительного времени в зависимости от сложности канала и размера устройства. Высокоточные оценки площади и объёма включают множество измерений длины, ширины и глубины на единицу, которые всё чаще выполняются в больших каналах с помощью геодезического оборудования точной глобальной системы позиционирования (GPS). Визуальная оценка единичной площади поверхности отдельного канала оказалась достаточно точной и требующей гораздо меньше времени (Хэнкин и Ривз, 1988; Доллофф и др., 1993). Однако визуальные оценки необходимо периодически калибровать, сравнивая их с тщательными измерениями в тех же канальных единицах; часть работы включает выполнение такого сравнения.

При обследовании отдельных участков канала неизбежно возникает вопрос: «Каков относительный размер наименьшего из учитываемых участков?» Для каналов со сложным рельефом и сложной гидравлической системой это является сложной задачей. Участки с быстрым течением содержат несколько зон с низкой скоростью, а участки с медленным течением обычно имеют быстрое течение где-то внутри. Определение границ участков русла для целей съёмки почти всегда субъективно: за исключением водопадов, переходы от одного участка к другому происходят постепенно. Участок следует рассматривать как отдельную единицу измерения, если (1) его общие физические характеристики явно отличаются от характеристик соседних объектов и (2) его размер значителен по отношению к ширине смачиваемого канала. Принцип «значительности»: наибольший размер объекта должен быть равен или превышать среднюю ширину зоны смачивания для объектов, расположенных в тальвеге ручья, и половину средней ширины зоны смачивания для объектов, расположенных вдоль границы потока. Блоки каналов не всегда расположены линейно вдоль зоны досягаемости; некоторые блоки могут находиться рядом друг с другом в зависимости от препятствий для потока и переплетения каналов.

При съёмке отдельных участков канала исследователям приходится балансировать между точностью описания условий течения в целом и детальностью, полученной при тщательном картировании ограниченного участка (Poole et al., 1997). Достижение желаемой точности требует больше времени на съёмку и сокращает площадь, которую можно охватить за заданный период. Существуют быстрые методы визуальной оценки состава элементов русла (Хэнкин и Ривз, 1988), а также методы точной съёмки для картирования мелкомасштабных структур русла (Гордон и др., 1992). Выбор подходящего метода зависит от задачи исследования. Во всех случаях исследователи должны помнить, что колебания расхода воды сильно влияют на относительное количество различных типов элементов канала; поэтому часто бывает желательно повторить обследование при разных величинах стока.

Хотя один человек может провести инвентаризацию элементов канала в небольших водотоках, группы из как минимум двух-трёх человек работают гораздо безопаснее и эффективнее. Поскольку длину и ширину необходимо измерять многократно, каждому члену команды может быть поручена отдельная задача. Пока опытные съёмочные группы приобретают навыки определения границ каналов и повышения эффективности сбора данных, важно работать медленно и обдуманно. Тщательный сбор точных данных намного лучше, чем поспешное завершение обследования участка; более того, тщательное планирование, управление временем и внимание к деталям снижают риск несчастных случаев. Всегда работайте безопасно.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ф. Ричард Хауэр и Гэри А. Ламберти

Источник: Методы в экологии ручьев

Данные публикации будут полезны студентам экологических и географических специальностей, начинающим специалистам в области гидрологии, геоморфологии и управления водными ресурсами, а также всем, кто интересуется динамикой речных экосистем и вопросами охраны природных ландшафтов.