Геоморфологические схемы ландшафтных катен водосборов

Исследования, приведенные в первой главе, позволили выработать приемы геоморфологической схематизации ландшафтной катены водосборов. Для создания моделей катен водосборов Западного Башкортостана необходимо выполнение геоморфологического исследования изучаемых водосборов и разработка общей геоморфологической схемы ландшафтной катены.

Геоморфологические исследования выполнены для 23 водосборов Западного Башкортостана (реки Кама и Белая изучены по их притокам). Анализ морфологии и орографии водосборов Западного Башкортостана показал, что они имеют типичный облик водосборов равнинных рек. Долины хорошо разработаны, имеют широкие поймы и террасированные склоны. Водосборы занимают достаточно крупные территории и представлены набором природных и антропогенных компонентов, развивающихся как единое целое. Следовательно, водосборы в целом являются геосистемами и при обосновании комплексного обустройства их территорий необходимо применять геосистемный подход.

Геоморфологический анализ необходим для определения морфометрических показателей, используемых при конструировании (идентификации) моделей катен водосборов Западного Башкортостана: горизонтальной и вертикальной расчлененности, положения точки перегиба склона и коэффициентов формы плана.

Горизонтальная расчлененность принимается равной схематизированной ширине между расчленяющими линиями (водотоками). Схематизированная ширина катены (В_в) определяется как половина отношения площади водосбора (F_в) к суммарной длине всех водотоков водосбора (L_в).

Вертикальная расчлененность показывает относительное высотное расположение фаций и характеризуется схематизированным превышением местных водоразделов над примыкающими водотоками (H_в). Схематизированное превышение (H_в) пропорционально произведению схематизированной ширины катены (В_в) к среднему уклону водосборной площади (I_в).

Положение точки перегиба выражается картографической изолинией, называемой морфоизографа (см. главу 1.2). Морфоизографа создает системную целостность катены и структурирует ее рельеф на относительные выпуклости и вогнутости. Морфоизографа определяется топографическим методом вторых производных (пластика рельефа), основанная на геометрическом анализе горизонталей. Положение точки перегиба склона вычисляется по формуле /1.2/ и зависит от коэффициента морфоизографа (К_м), определяемого как отношение площадей внутри морфоизограф и водосбора.

Коэффициент формы плана ( ) характеризует форму плановых очертаний территории водосбора и определяется как отношение квадрата периметра водосбора (Р_в) к его площади (F_в):

/3.6/

При отклонении формы водосбора от формы круга, значение увеличивается. Показатель формы круга равен единице.

Морфометрические показатели рельефа определены картометрическим методом [50] по топографическим и тематическим картам с применением ГИС-технологий. Первоначально на основе топографических карт поэтапно разрабатываются рабочие карты водосборов. По рабочим картам инструментально и с применением ГИС-технологий измеряются площади и периметры водосборов, площади внутри и длины морфоизограф, длины главной реки и всех водотоков водосборов, абсолютные превышения водораздельных линий над главными реками водосборов, уклоны правого и левого берегов водосборов (таблица 3.9).

На первом этапе находятся конечные понижения: главную реку водосбора и все ее притоки, временные водотоки; на втором – по наивысшим точкам водосборного бассейна проводятся водораздельные линии; на третьем – учитывая направление уклона местности строятся морфоизографы, являющиеся граничными горизонталями между выпуклыми и вогнутыми частями

Таблица 3.9 Первичные (измеренные по карте) морфометрические показатели водосборов Западного Башкортостана

Водосборы	Площади, км2	Периметры водосбора, км	Длины, км	Уклоны, в долях
водосбора	внутри морфоизограф	главной реки	всех водотоков	морфоизограф	правого склона	левого склона	средний
Юрюзань	3482,4	766,9	497,2	303,0	932,4	2967,8	0,026	0,039	0,033
Ай	7684,1	1769,9	744,8	352,2	3102,4	6876,4	0,027	0,012	0,019
Лемеза	1187,7	549,1	355,2	94,4	405,2	891,3	0,041	0,027	0,034
Тюй	1121,1	210,4	279,7	97,7	371,8	851,4	0,013	0,032	0,023
Уса	976,9	146,1	181,1	128,2	419,1	712,2	0,024	0,014	0,019
Уфа	9344,9	2319,0	864,7	394,1	4381,2	8924,4	0,017	0,027	0,022
Сим	1582,9	425,3	186,5	122,1	355,2	788,1	0,014	0,009	0,012
Инзер	5052,2	901,9	243,1	296,4	2841,3	4629,6	0,029	0,020	0,025
Зилим	3151,9	1116,7	333,0	145,4	2196,1	4392,3	0,029	0,009	0,019
Бирь	2106,6	593,4	233,1	147,6	936,8	1757,7	0,022	0,005	0,013
Дема	9344,7	1151,5	439,6	324,8	2676,6	4579,7	0,009	0,011	0,010

Продолжение таблицы 3.9

Быстрый Танып	6526,2	1343,3	492,8	323,0	3311,1	5767,6	0,006	0,005	0,006
Буй	2414,9	628,3	374,1	105,4	1209,9	2670,7	0,006	0,018	0,007
Нугуш	3593,9	1125,3	562,8	233,1	2403,1	3841,7	0,018	0,029	0,019
Ик	3159,0	732,4	372,0	277,5	1451,0	1335,0	0,003	0,018	0,010
База	1487,4	292,4	264,7	137,6	540,6	1223,2	0,012	0,024	0,018
Сюнь	2500,6	691,7	259,0	151,0	660,0	1653,0	0,011	0,016	0,017
Чермасан	2773,0	481,7	321,9	149,0	393,0	1881,0	0,012	0,023	0,018
Куганак	1053,7	275,2	169,8	88,8	421,8	759,2	0,010	0,011	0,010
Уршак	4176,3	577,9	334,1	140,9	1446,7	1694,0	0,011	0,011	0,011
Усень	2346,8	765,8	353,3	117,7	547,2	1163,2	0,022	0,013	0,017
Ашкадар	3480,0	862,1	439,6	145,4	742,6	2344,6	0,008	0,013	0,010
Кармасан	1087,9	460,5	190,0	87,0	458,4	880,2	0,089	0,083	0,009

водосбора. При неоднозначности местоположения морфоизограф строятся поперечные профили поверхности склонов водосборов, по которым уточняются точки перегибов склонов. Далее вычисляются морфометрические показатели, используемые при конструировании (идентификации) моделей катен водосборов Западного Башкортостана (таблица 3.10).

Таблица 3.10 Вторичные (вычисленные) морфометрические показатели

водосборов Западного Башкортостана

Водосборы	Схематизированная ширина, м	Коэффициент формы плана,	схематизированное превыше-ние, Hв, м	Км = Fм/Fв
водосбора	внутри морфоизографа	ландшафтных катен	водосбора	внутри морфоизограф
Юрюзань	5746,0	411,3	1867,4	5,6	914,3	61,4	0,22
Ай	10908,8	285,3	1238,4	5,7	2127,0	24,6	0,23
Лемеза	6294,1	677,6	1465,7	2,3	115,2	50,4	0,46
Тюй	5738,7	282,9	1507,5	5,6	274,2	34,7	0,19
Уса	3810,3	174,3	1165,5	2,7	276,4	23,0	0,15
Уфа	11857. 6	264,7	1066,5	6,4	2734,4	23,7	0,25
Сим	6481,9	598,7	2228,2	3,0	116,3	25,8	0,27
Инзер	8523,4	158,7	889,1	2,2	1891,9	22,1	0,18
Зилим	10838,2	254,3	717,6	3,2	1375,4	14,2	0,35
Бирь	7134,7	316,7	1124,3	2,1	414,5	15,1	0,28
Дема	14386,3	215,1	1745,6	2,70	1450,2	17,9	0,16
Быстрый Танып	10102,1	202,8	985,5	3,0	1971,6	5,7	0,21
Буй	11450,7	259,7	998,0	4,6	903,7	6,8	0,26
Нугуш	7709,1	234,1	747,8	2,3	1044,2	14,7	0,31
Ик	5691,9	252,4	1088,6	4,9	193,7	19,3	0,23
База	5403,4	270,5	1375,8	3,7	407,4	25,2	0,20
Сюнь	8280,0	524,0	1894,4	4,0	314,5	31,6	0,28
Чермасан	9305,4	612,9	3528,0	3,2	584,7	63,5	0,17
Куганак	5933,2	326,2	1249,1	2,2	166,7	13,1	0,26
Уршак	14812,8	199,8	1443,4	2,1	395,3	16,2	0,14
Усень	9972,8	699,7	2144,2	2,3	140,7	37,5	0,33
Ашкадар	11966,2	580,44	2343,1	1,7	507,7	24,4	0,25
Кармасан	6252,8	502,33	1186,7	2,6	133,9	10,2	0,42

Примечание: F_м и F_в – площади соответственно внутри морфоизограф и водосбора.

Измеренные площади водосборов Западного Башкортостана варьируются от 976,9 км² до 9344,9 км², периметры – от 169,8 км до 864,7 км. Площади внутри морфоизограф составляют от 146,1 км² до 2319,0 км², их длины – от 712,2 км до 8924,4 км. Абсолютные отметки водоразделов находятся в пределах от 91,4 мБс до 406,9 мБс, а средние уклоны – от 0,006 до 0,034. Полученные площади и уклоны отражают особенности орографии рассматриваемых водосборов.

Водосборы рек Бирь, Буй, Быстрый Танып, Уса, Куганак, Ашкадар, Сюнь, Чермасан, Дема и Тюй находятся в увалисто-равнинных; База, Кармасан и Уршак– равнинных; Уфа, Ик и Усень – возвышенно-равнинных; Ай, Юрюзань, Инзер, Сим, Лемеза, Зилим и Нугуш– предгорных частях Западного Башкортостана.

Вычисленные морфометрические показатели позволяют сконструировать геоморфологические схемы ландшафтных катен, учитывающие морфометрические особенности водосборов Западного Башкортостана. Схематизированная поверхность ландшафтной катены создается вписыванием в эти отметки кривой, описываемой гиперболическим тангенсом по формуле /1.1/.

Разработанная геоморфологическая схема катен водосборов базируется на пяти характерных отметках (рисунок 3.5):

- отметка 1 соответствует урезу воды водотока водосбора;

- отметка 2 показывает границу сопряжения супераквальной и транзитной фаций. Большинство исследователей сходятся во мнении, что граница фаций соответствуют отметке, где уклон поверхности земли начинает превышать 2-4⁰. Тогда: , где – разность отметок 1 и 5;

- отметка 3 указывает положение точки перегиба склона (морфоизографу), определяемую по формуле /1.2/. Для протяженных склонов (В_тэ ≥ 900 м) точка 3 разделяет транзитную фацию на две фации: трансэлювиальную и трансаккумулятивную;

- отметка 4 показывает границу сопряжения транзитной и элювиальной фаций. Она соответствует отметке, где уклон поверхности земли становится меньше 2-4⁰ и ;

- отметка 5 соответствует водораздельной линии водосбора.

Рисунок 3.5 Геоморфологическая схема ландшафтной катены водосборов:

В_в, В_СА, В_Т (В_ТЭ и В_ТА), В_Э – схематизированные ширины соответственно катены и фаций: супераквальной, транзитной (трансэлювиальной и трансаккумулятивной) и элювиальной;

Н_в, ∆_СА, ∆_Э – схематизированные превышения соответственно водораздельной линии и фаций: супераквальной и элювиальной;

К_м - коэффициент, показывающий долю вогнутых участков ланшафтной катены.

Таким образом, ширина катены должна равняться схематизированной ширине (В_в), а высота – схематизированному превышению (H_в) водосбора. Ширины фаций определяются в зависимости от уклона поверхности земли.

Коэффициенты формы плана водосбора показывают сильную вытянутость водосборов вдоль главной реки. Коэффициенты формы плана внутри морфоизограф, находящиеся в пределах от 115,2 до 2734,4, говорят о разнообразии орографии территорий рассматриваемых водосборов. Несмотря на это, высокие значения этих показателей (более 100) демонстрируют, наряду с коэффициентами формы плана водосборов, сильную вытянутость (двумерность) фаций в поперечном сечении водосборов. Данное утверждение позволяет использовать для схематизации катен, рассмотренных водосборов, метод поперечников (двумерную расчетную схему).

Таким образом, геоморфологический анализ водосборов Западного Башкортостана доказал возможность расчета влагопереноса в ландшафтных катенах водосборов с использованием дифференциального уравнения двумерного передвижения влаги в конечно-разностной форме (см. главу 1.4).

При компьютерном моделировании катен водосборов окно исходных данных «Геология» раздел «Топография» (рисунок 3.6) заполняется по полученным в данной главе морфометрическим показателям водосборов Западного Башкортостана (таблице 3.11).

Рисунок 3.6 Окно «Геология»

Таблица 3.11 Идентификационные параметры морфометрических схем ландшафтных катен

водосборов Западного Башкортостана

Ландшафтные группы	Водосборы	Параметры катены, м	Ширина, м	Коэффициент крутизны склона	Коэффициенты формы склона	Число столбцов в низине	Ширина столбца в низине, м
ширина	высота	низины	склона	возвышенности
Лесная	Юрюзань	1867,4	61,4				4,5		4,5		26,7
Ай	1238,4	24,6				4,3		4,3		18,1
Лемеза	1465,8	50,4				2,2		2,2		18,0
Тюй	1507,5	34,7				5,3		5,3		19,9
Лесолуговая	Уса	1165,5	23,0				6,7		6,7		13,3
Уфа	1066,5	23,7				4,0		4,0		16,0
Сим	2228,2	25,8				3,7		3,7		34,3
Лесостепная	Инзер	889,1	22,1				5,6		5,6		11,4
Зилим	717,6	14,2				2,8		2,8		11,2
Бирь	1124,3	15,1				3,6		3,6		17,5

Продолжение таблицы 3.11

Лесостепная	Дема	1745,6	17,9				6,3		6,3		20,8
Быстрый Танып	985,5	5,7				4,9		4,9		13,7
Буй	998,0	6,8				3,8		3,8		15,2
Нугуш	747,8	14,7				3,2		3,2		11,8
Ик	1088,6	19,3				4,3		4,3		15,9
База	1375,8	25,2				5,1		5,1		18,6
Сюнь	1894,4	31,6				3,6		3,6		29,4
Чермасан	3528,0	63,5				5,8		5,8		44,4
Лугостепная	Куганак	1249,1	13,1				3,8		3,8		19,1
Уршак	1443,4	16,2				7,2		7,2		15,6
Усень	2144,3	37,5				3,1		3,1		33,7
Степная	Ашкадар	2343,1	24,4				4,0		4,0		35,2
Кармасан	1186,7	10,2				2,4		2,4		16,4