Количественная оценка геоморфологических порогов в речных руслах: методы анализа аэрофотоснимков и полевых измерений

A. Базовый метод 1: Количественное определение геоморфологических порогов в руслах рек. Анализ временных рядов исторических аэрофотоснимков (рис. 7.7) позволяет выявить типологические изменения, которые помогают интерпретировать прошлые геоморфологические процессы и события. Прорывы русел (авульсии) могут быть обнаружены и сгруппированы в два различных типа: парафлювиальные прорывы, которые создают и поддерживают вторичные каналы в пределах парафлювиальной зоны, и ортофлювиальные прорывы, которые перекрывают новые или повторно занимают старые каналы в пределах ортофлювиальной зоны, полностью оставляя прежний парафлювиальный канал (рис. 7.7). Временные ряды с 1945 по 1999 год показывают значительные изменения между каждым интервалом, при этом в период с 1999 по 2004 год наблюдались меньшие изменения. В период с 1945 по 1966 год парафлювиальная зона значительно расширилась, что сопровождалось масштабными прорывами, тогда как в последующие два десятилетия преобладали парафлювиальные прорывы, широкомасштабные размывы и отложение осадков.

Рисунок 7.7. Серия аэрофотоснимков, иллюстрирующих геоморфологические изменения в речном ландшафте комплекса баров в пойме реки Ньяк, Мидл-Форк реки Флэтхед, штат Монтана. Вид поймы под углом и расположение аэрофотоснимков показаны на рисунке 7.1.

Выявленная картина парафлювиальных и ортофлювиальных прорывов, намыва и обширного размыва указывает на то, что пойма сформировалась в основном в результате процессов расширения русла, некоторой активности анастомозирующих русел, а также значительного отклонения потока и размыва под действием массового поступления крупной древесины. Процессы расширения канала преобладали в пятилетний период с 1986 по 1991 год и девятилетний период с 1991 по 1999 год. Кроме того, отложение гравийных осадков и потеря остатков ортофлювиальных островов из-за эрозии берегов привели к перестройке основного русла, но без серьёзных авульсий. В период с 2001 по 2004 год наиболее заметным изменением стало быстрое восстановление прибрежной растительности, главным образом появление тополей (что подтверждено наземными исследованиями).

За исключением фотографии 2003 года, все снимки были сделаны в условиях базового стока, что является критическим фактором для точной интерпретации геоморфологических изменений. Например, можно было бы ошибочно предположить, что прорыв русла произошёл в период с 2002 по 2003 год, основываясь на видимом течении во вторичном канале (рис. 7.7). Эта ошибка возникает из-за того, что расход воды на фотографии 2003 года составил 7140 м³/с, что почти в десять раз больше, чем на фотографии 2002 года. Геоморфологические изменения происходят преимущественно во время наводнений, причём более крупные паводки обычно приводят к более значительным изменениям. Поэтому для лучшей интерпретации изменений между годами съёмки необходимо построить график максимального расхода воды для каждого года, охватывающего временные рамки серии фотографий (рис. 7.8). Это позволяет определить, когда произошли крупные наводнения относительно основных изменений, зафиксированных на снимках.

Рисунок 7.8. График, показывающий годовой пиковый расход (оранжевая линия) в среднем течении реки Флэтхед с 1940 по 2004 год, полученный с измерительной станции Геологической службы США, расположенной в Уэст-Глейшер, штат Монтана, примерно в 30 км ниже поймы. Период регистрации совпадает с аэрофотоснимками на рисунке 7.7. Количество дней в году, когда уровень стока был на 10–20 см выше (светло-голубой и тёмно-синий) парафлювиального заполнения берегов. В пойме реки Ньяк парафлювиальный береговой сток начинается примерно с 16 500 м³/с. Каждое увеличение расхода на 2000 м³/с соответствует увеличению высоты ступени примерно на 10 см.

Для поймы, показанной на рисунке 7.7, экстремальное наводнение 1964 года, вероятно, стало причиной значительных изменений, наблюдавшихся в период с 1945 по 1966 год. Однако данные о пиковых расходах воды сами по себе не могут объяснить все видимые изменения на серии фотографий. Чтобы получить более точную интерпретацию взаимосвязи между конкретными событиями и данными о расходах, следует построить график количества дней, в течение которых расход превышает геоморфологический порог — уровень, при котором паводковые воды выполняют гидравлическую работу, способную изменить морфологию поймы. Высокий уровень расхода обычно рассматривается как критический порог для захвата неуплотнённого материала, при котором начинаются морфологические изменения (Ньюсон, 1980; Лоранг и Хауэр, 2003).

Интервал повторяемости в 1,5 года считается близким к величине полного стока для многих речных систем (Данн и Леопольд, 1978). Другие исследования показали, что этот период варьируется от 1,5 до 25 лет, причём широкий разброс зависит от того, какая плоская поверхность поймы использовалась для определения уровня берега (Уильямс, 1978; Нэш, 1994). В более поздних исследованиях использовалась низкая терраса активной поймы — заброшенный геоморфологический объект по определению, — что естественно приводит к более длительным интервалам повторяемости. Следовательно, важно использовать пойменный участок активной поймы (рис. 7.9) для определения состояния берега и связанного с ним расхода (см. главу 3 для расчёта расхода Q, гидравлического радиуса R, уклона S и оценки сопротивления течению).

Рисунок 7.9. Эскиз идеализированного поперечного сечения от берега до берега через гравийную отмель, показывающий различия в вертикальных высотах между различными геоморфологическими объектами (вершина отмели, верхняя часть активного шельфа и верхняя часть террасы). Также показана высота над уровнем моря между текущей поверхностью воды и вершиной отмели, а также расчётная глубина воды Fc, вычисленная на основе размера горных пород, составляющих вершину отмели, и оценки уклона S (например, поверхности воды, поперёк отмели, вершины отмели и т.д.) с использованием уравнения 7.3.

Наблюдение за затоплением верхушек парафлювиальных отмелей, соединением ортофлювиальных паводковых каналов и выходом за пределы пойменных полос, засаженных тополями, — всё это хорошие показатели полноводности берегов. Для поймы, показанной на рисунке 7.7, заполнение берегов начинается примерно при расходе 16 500 м³/с. Это состояние лучше всего описать как «парафлювиальный» режим, при котором переносится наибольший объём наносов, поскольку большая часть реки достигает уровня стока, при котором начинается транспорт наносов (подробнее см. Лоранг и Хауэр, 2003). Поэтому полезно также рассчитать количество дней, в течение которых превышен уровень парафлювиального стока. Ортофлювиальные прорывы, как правило, требуют более высоких пиковых значений стока, чем парафлювиальный сток, а в некоторых случаях могут потребоваться экстремальные паводковые явления. Тем не менее, большая часть геоморфологической работы выполняется в результате более продолжительных умеренных событий, которые достигают уровней, превышающих пороговые значения (Багнольд, 1977; Ньюсом, 1980; Нэш, 1994; Лоранг и Аггетт, 2005; Лоранг и др., 2005). Там, где существует хорошо развитая парафлювиальная зона, но недостаточно развиты берега, можно оценить пороговый расход воды, который возникает, когда большинство (если не все) галечных отмелей затопляются и начинается повторное подключение к ортофлювиальным паводковым каналам.

Протоколы для базового метода 1:
1. Получите полный набор аэрофотоснимков и/или спутниковых изображений (разрешение не менее 2,4 м, например, Quickbird). Определите масштаб и уровень расхода для каждой серии фотографий.

2. Определите положение русла или участки первичного стока, места размыва берегов и отложения гравия, а также другие геоморфологические особенности, видимые на изображениях. Сравните изменения положения русла, вызванные процессами прорыва, с расширением или миграцией.

3. Для каждой фотографии определите количество, длину и площадь следующих элементов канала (где это уместно): (а) узлы разделения потоков; (б) схождение каналов; (в) длина и площадь основного канала; (г) количество, длина и площадь вспомогательных каналов (отметьте уровень стока); (д) соединённые заводи; (е) изолированные пруды, озёра и топи; (ж) родниковые ручьи. Также сравните относительную площадь парафлювиальной зоны с поверхностью воды для каждой фотографии.

4. Соберите имеющиеся данные о расходе с ближайшего гидропоста. В США доступ к данным можно получить по адресу http://water.usgs.gov/; в Канаде — http://scitech.pyr.ec.gc.ca/waterweb/; в Европе — http://dataservice.eea.eu.int/atlas/; в Новой Зеландии — http://www.stats.govt.nz/analytical-reports/natural-resource-accounts/water-natural-resource-accounts.htm; в Австралии — http://www.nlwra.gov.au/.

5. Сравните временные ряды фотографий с историческими данными о расходах, чтобы определить вероятные периоды геоморфологических изменений, а также величину и продолжительность расходов, происходивших в интервалах между сериями фотографий.

7. Проведите анализ по базовому методу 1 с использованием географической информационной системы (ГИС). Для обеспечения точности аэрофотоснимки или спутниковые изображения должны быть георектифицированы.

B. Расширенный метод 1: Количественная оценка геоморфологических порогов в руслах рек с использованием подхода, основанного на оценке стока. После сбора доступных фотографий и данных о расходе и выполнения анализа по базовому методу 1 проведите полевые исследования для измерения рельефа отмели, русла и берега по крайней мере на одной гравийной отмели. Напомним, что типологии представлены в контексте основных геоморфологических факторов: градиент энергии (Se), калибр наносов (D), транспортная способность, выраженная как соотношение между запасом наносов (Qs) и мощностью потока (Ω = τ · v), а также источник отложений (Q_Basin / Q_Bank) (рис. 7.6). Концепция, проверяемая в рамках этого метода, заключается в том, какой уровень расхода необходим для начала значительных геоморфологических работ (рис. 7.9). Затем этот анализ может быть связан с долговременной динамикой.

Подход, основанный на оценке расхода, используется для определения глубины воды и связанных с ней расходов, необходимых для переноса наносов с вершины отмели и русла или для мобилизации гравия, и для сравнения этого уровня расхода с местным рельефом конкретной гравийной отмели. Это позволяет в первом приближении оценить относительный баланс наносов на участке — например, происходит ли аккумуляция (заполнение наносами) или углубление канала (дальнейшая эрозия поймы). Эти простые подходы имеют решающее значение для оценки воздействия плотин, проектов по стабилизации берегов, дорог, лесозаготовок или выпаса скота, которые могут нарушить поступление наносов и тем самым повлиять на геоморфологическое состояние поймы (Лоранг и Аггетт, 2005). Подход к потоковой компетентности может быть рассмотрен в первую очередь с помощью двух отдельных уравнений:

Уравнение 7.1 связывает потенциальную силу, действующую на дно со стороны текущей воды, называемую напряжением сдвига (τ_fl), в зависимости от глубины воды *h*, уклона канала S, плотности воды ρ и ускорения свободного падения *g*: τ_fl = ρ · g · h · S.

Уравнение 7.2 описывает необходимое или зависящее от потока напряжение сдвига τ_fc, необходимое для мобилизации гравия/булыжников, составляющих гравийную отмель или русло, характеризуемое плотностью камней ρ_s и промежуточным диаметром камней среднего (D_mean) и максимального (D_max) размера (Комар, 1989): τ_fc = 0,045 · (ρ_s – ρ) · g · D.

Пороговое условие для переноса наносов определяется при τ_fl = τ_fc. Подставляя в пороговое условие и решая относительно *h*, получаем уравнение (7.3), которое можно использовать для оценки глубины течения, необходимой для вымывания отложений, позволяя реке выполнять эту работу (Лоранг и Аггетт, 2005): *h* = 0,045 · (ρ_s/ρ – 1) · D / S.

После завершения топографической съёмки постройте графики площади поперечного сечения и измерьте различия между вершиной отмели и ортофлювиальным берегом, вершиной отмели и уровнем стока в день съёмки, а также вершиной отмели и террасой, если таковые имеются (рис. 7.9; обозначения A, B и C). Затем определите размер материала, из которого сложена верхняя часть отмели, чтобы решить уравнение 7.3, и сравните расчётную глубину потока воды с местным рельефом. Выберите по крайней мере три места на верхней части отмели, разместив на субстрате квадрат размером 0,5 × 0,5 метра. Измерьте высоту каждого участка с помощью тахеометра. Добавьте рассчитанные вами значения *h*, чтобы определить высоту потока (F_c) относительно местного рельефа (рис. 7.9; обозначьте F_c). Затем измерьте промежуточный осевой диаметр десяти самых крупных камней в пределах сетки и оцените средний промежуточный диаметр для всего основания в пределах сетки. Используйте эти данные для значений D_mean и D_max в уравнении 7.3. Измерьте средний уклон по длине канала, граничащего с отмелью. В верхней части отмели используйте одно или оба значения для S в уравнении 7.3. Оцените плотность камня, измерив массу мелких камней сходной литологии и объём воды, который они вытесняют в градуированном цилиндре. Рассчитайте диапазон значений *h*, используя диапазоны, полученные для уклона S и размеров частиц (например, используйте наибольший диаметр для D_max и среднее значение из десяти наибольших для D_mean).

Протоколы для расширенного метода 1:
1. С помощью геодезического тахеометра изучите топографию участка, включая измерения уклона водной поверхности. Охватите по крайней мере один или два острова или комплекса точечных отмелей.

2. В лабораторных условиях загрузите данные тахеометра в формат, совместимый с ГИС. Постройте контурную диаграмму рельефа поверх георектифицированных изображений, полученных с помощью базового метода 1.

3. Измерьте с помощью тахеометра как минимум три точки сетки в верхней части отмели. Измерьте промежуточный осевой диаметр десяти самых крупных камней в пределах каждой сетки и оцените средний промежуточный диаметр для всей подложки в пределах сетки.

4. Используя данные тахеометра в ГИС, постройте топографические карты гравийной отмели и создайте поперечные сечения (аналогично рисунку 7.10) для каждого местоположения на сетке отложений и других интересующих точек.

C. Расширенный метод 2: Увязка речных геоморфологических процессов с полевыми характеристиками. После сбора доступных фотографий и данных о расходах и проведения анализа по расширенному методу 1 выполните полевую съёмку с помощью GPS, чтобы определить и нанести на карту распределение биофизических характеристик на участке исследования. Напомним, что типологии представлены в контексте основных геоморфологических факторов: градиент энергии (Se), калибр наносов (D), транспортная способность (Qs / Ω), мощность потока (Ω = τ · v) и источник наносов (Q_Basin / Q_Bank) (рис. 7.6). Концепция, проверенная в этом методе, заключается в том, что изменения в величине или пространственном распределении любой из этих переменных являются основными факторами контроля: (а) пространственного распределения водных местообитаний (см. главу 2); (б) распределения, численности и возрастной структуры прибрежных растений (см. главу 31); (в) пространственного распределения взаимодействия подземных и поверхностных вод (см. главы 6 и 33).

Протоколы для расширенного метода 2:
1. Используя геодезический тахеометр и GPS, составьте карту пространственного распределения (участков) типов отложений, крупной древесины, рельефа и уровня грунтовых вод (т.е. пьезометрическую поверхность). Покройте как минимум один или два острова или точечных комплекса.

2. В лабораторных условиях загрузите все данные тахеометра и GPS (точки, линии и полигоны) в формат, совместимый с ГИС. Постройте контурную схему рельефа поверх георектифицированных изображений, полученных с помощью расширенного метода 1.

3. Используя данные тахеометра и GPS в ГИС, постройте карты гравийной отмели, показывающие распределение типов растений (например, деревьев, кустарников, трав), участков отложений (например, булыжника, песка) и крупной древесины. Они должны быть созданы в виде слоёв данных, нанесённых на топографическую поверхность (рис. 7.10).

4. На тех же изображениях постройте контурную диаграмму уровня воды в подповерхностном слое и определите пьезометрические градиенты (рис. 7.10).

Рисунок 7.10. А. Распределение деревьев, кустарников и травянистых растений, участков отложений и крупной древесины в виде слоёв данных ГИС на топографической поверхности канала. Б. Контурный график уровня грунтовых вод в гравийном канале и расчётное направление инфильтрации поверхностных вод и стока подповерхностных вод через канал.

5. Также могут быть построены поперечные разрезы (например, топографические графики, высота воды, закодированная в соответствии с распределением растений), а также сопоставлены многие другие данные (например, возраст тополей в зависимости от глубины залегания грунтовых вод). Все эти построения выполняются на основе конкретных исследовательских вопросов, связанных с экологией прибрежных зон или взаимодействием грунтовых и поверхностных вод с речными геоморфологическими процессами.

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.