Геосистемный катенарный подход как основа геоморфологической схематизации ландшафтных катен водосборов

Катена – (лат. catena - цепь, непрерывный ряд) трактуется, как закономерная последовательность расположения на склонах или вдоль водоемов элементарных природных комплексов (элементарных ландшафтов, фаций, биогеоценозов). В геоморфологии катена выделяет различия в форме рельефа при движении от вершины до подножья одного и того же склона. Авторство термина принадлежит Дж. Мильну, развитым в дальнейшем А. Дж. Джеррардом [120]. С позиций катенарной дифференциации, любая местность с определенным рельефом состоит из зон выноса, переноса и аккумуляции вещества и энергии, границы которых меняются в зависимости от целого ряда факторов: крутизны склона, уровня грунтовых вод и местоположения участка на склоне. Кроме того, принципиально важна принадлежность склонов к положительной или отрицательной форме рельефа, так как склоны положительных форм рассеивают вещество и энергию, а склоны отрицательных форм их собирают, концентрируют.

Первую геоморфологическую схематизацию рельефа ландшафтных катен склонов в равнинных условиях в начале ХХ в. предложил Г. Н. Высоцкий [83]. Позднее в 1938 г., Л. Г. Раменский разработал более подробную геоморфологическую классификацию. Наибольший интерес, с точки зрения обоснования мелиораций водосборов, представляют классификации и геоморфологические схемы, предложенные Б. Б. Полыновым и М. А. Глазовской. Последователь В. В. Докучаева Б. Б. Полынов [217], исходя из различий водного питания и формирования стока, предложил различать три большие группы элементарных ландшафтов: элювиальные, супераквальные и субаквальные. В дальнейшем, М. А. Глазовская [96, 97], развивая идеи геохимии ландшафтов, выделила переходные зоны между тремя основными группами.

При геоморфологической схематизации ландшафтных катен водосборов, с целью обоснования мелиораций, нами принято, что каждый водосбор в пределах одного физико-географического района представлен набором катен, состоящих из трех фаций с разным высотным взаиморасположением, определяемым глубиной расчленения рельефа: элювиальных, трансэлювиальных и супераквальных. Супераквальная фация примыкает к водотоку (субаквальной фации). При наличии у водосборов протяженных склонов, трансэлювиальные фации сами подразделяются на две фации: трансэлювиальные и трансаккумулятивные (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Геоморфологическая схематизация
ландшафтной катены водосбора

Такая схематизация ландшафтной катены позволяет (таблица 1.1):

- дифференцировать фации по типу водного питания, набору зональных и азональных почв. Появляется возможность учета разных типов водного питания по А. Д. Брудастову: атмосферного, намывного делювиального, грунтового;

- учитывать в первом приближении размеры и формы рельефа, геологическое сложение современных четвертичных отложений применительно к различным физико-географическим (ландшафтным) районам;

- представить катену как элементарный водосбор со многими характерными его особенностями. В первую очередь региональными особенностями, влияющими на дифференциацию свойств фаций по их местоположению.

Таблица 1.1 Характеристики основных фаций ландшафтной катены

Фации	Инвариантный тип	Особенности местоположения	Свойства	Преобладающие процессы
Элювиальная	Плакорные или собственно элювиальные с довольно глубокими грунтовыми водами	Водораздельные поверхности	Формируется поверхностный и подземный отток вод на нижерасположенные фации, атмосферный тип водного питания	Преобладание вертикального перемещения, выщелачивание верхних горизонтов почвы и образование иллювиального горизонта
Трансэлювиальная	Фации склонов до точки перегиба	Верхние части склонов, склоны с относительно крутыми откосами (не менее 2-3о)	Транзитные фации, вода поступает с элювиальных фаций (натечные воды) и отводится на соседние пониженные фации, частичное впитывание воды в почву, атмосферный тип водного питания	Смыв вещества вниз по склону
Трансаккумулятивная	Фации склонов после точки перегиба	Склоны с относительно крутыми откосами (не менее 2-3о), нижние части склонов и подножия	Транзитные фации, вода поступает с трансэлювиальных фаций и отводится на супераквальные фации, частичная разгрузка грунтовых вод, тип питания – намывной делювиальный	Частичный смыв и образование делювия, нижние части могут испытывать увлажнение натечными водами
Супераквальная	Пониженные фации	Первые надпойменные террасы с небольшими уклонами поверхности земли	Значительный приток поверхностных и подземных вод, разгрузка грунтовых вод, водное питание почв – грунтовое (восходящие токи влаги)	Преимущественно переувлажненные почвы с близким залеганием грунтовых вод, возможно заболачивание низинного типа
Аквальная	Подводные (речные)	Овражно-балочные понижения и малые русла (постоянное подводное положение)	Естественная дрена, место разгрузки поверхностных и грунтовых вод	Накопление донного ила

Для математического обоснования границ фаций (элементарных ландшафтов) больше всего подходит теория «рельефа поля», предложенная В. П. Философовым, и развитого в дальнейшем В. А. Червяковым, И. Г.Черваневым, А. Н. Кренке и А. Н. Ласточкиным.

Наибольший интерес представляет, выдвинутый А. Н. Ласточкиным [178] метод морфодинамического анализа, постулирующий ведущее значение метода «пластики рельефа» в дифференциации ландшафтной оболочки и предлагающий математически обоснованный подход к элементаризации структуры ландшафтов. Смысл операции морфодинамического анализа заключается в выявлении в пределах геоморфологических поверхностей элементарных поверхностей. Эти поверхности на суше оконтуриваются тремя структурными линиями: ребрами, перегибами и морфоизографами. При этом наибольшую ценность для геоморфологической схематизации ландшафтных катен водосборов представляет морфоизографа.

Многие ландшафтоведы принимают, что границы элементарных поверхностей, определяемые методом морфодинамического анализа, совпадают с границами фаций. Хотя принятое допущение вызывает неоднозначную реакцию представителей классической школы ландшафтоведов (напр., данное допущение не учитывает закономерности развития биоты при дифференциации ландшафтов), но для схематизации поверхности рельефа катен водосборов с целью комплексного их обустройства, морфодинамический анализ выступает достаточно логичным математическим методом.

Морфодинамический анализ является потенциально формализуемым методом, поскольку по своей математической сути представляет собой строгое преобразование, производимое над изолиниями поля высот как моделями натурного рельефа. Первая производная функции поля высот дает нам вектор силы тяжести (следовательно, направления перемещения вещества и энергии по земной поверхности), вторая производная позволяет фиксировать структурные линии и точки рельефа [165]. Тогда превышение поверхности земли над берегом водотока на расстоянии от него можно записать как:

, /1.1/

где - вертикальное расчленение рельефа, определяемое как разность отметок поверхностей элювиальной и супераквальной фаций;

- относительная крутизна склона транзитной фации;

и - эмпирические коэффициенты, вместе с относительной крутизной склона регулируют площади фаций катены; – ширина катены.

В формуле /1.1/ отражены все основные геоморфологические характеристики ландшафтной катены: горизонтальная и вертикальная расчлененность, крутизна склона, положение точки перегиба склона.

Основа морфодинамического анализа метод «пластики рельефа», представляет собой преобразование множества изогипс (горизонталей) топографической карты в структурную линию – морфоизографу, соединяющую точки перегиба разновысотных горизонталей. Метод пластики позволяет системно отделять долинные (отрицательные) формы земной поверхности от наддолинных, водораздельных (положительных) форм. Морфоизографа проводится по точкам горизонталей с нулевой кривизной, которые приходятся на точки перегибов, то есть на точки перехода выпуклого участка горизонталей в вогнутый (И. Н.Степанов, [245]). Метод так же позволяет однозначно разделить сплошное изображение территории водосбора на дискретные выпуклые и, инвариантно (посредством склонов) связанные с ними, вогнутые участки. В этом случае точки перегиба находятся не по линии горизонтали, а на линиях, соединяющих водораздельную линию с постоянным или временным водотоком. Причем, графическое подобие и количественные пропорции площадей превышений и понижений для генетически однородных территорий (в нашем случае водосборы) сохраняются на всех масштабах в пределах одной размерности. Этим утверждением можно воспользоваться для определения положения точки перегиба склона :

, /1.2/

где – коэффициент, показывающий долю вогнутых участков ланшафтной катены и определяемый, как отношение площади внутри морфоизограф к общей площади водосбора.

Указанные выше геоморфологические характеристики катены и формулы /1.1/ и /1.2/, позволяют сконструировать геоморфологическую схему ландшафтной катены водосборов.

Таким образом, применение геосистемного катенарного подхода позволило разработать методологии моделирования ландшафтной катены и геоморфологического анализа водосборов Западного Башкортостана. Модель катены в общем случае состоит из четырех фаций с разным высотным расположением: элювиальной, трансэлювиальной, трансаккумулятивной и супераквальной. Катена примыкает к водотоку (аквальной фации). При выполнении геоморфологического анализа необходимо определение горизонтальной и вертикальной расчлененности, крутизны склона, положения точки перегиба склона водосборов Западного Башкортостана.