использование карт пластики и расчленения рельефа при

УДК 631.6
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КАРТ ПЛАСТИКИ И РАСЧЛЕНЕНИЯ РЕЛЬЕФА
ПРИ ОБОСНОВАНИИ ВОДНЫХ МЕЛИОРАЦИЙ
Ю.И. Сухарев
ФГОУ ВПО МГУП, г. Москва, Россия
Сельскохозяйственная деятельность осуществляется в границах целостных
природных образований – ландшафтов. Ландшафт представляет собой территорию,
однородную по происхождению и истории развития, обладающую единым геологическим
основанием, однотипным рельефом, единообразным сочетанием почв, растительности и
отличающуюся от других территорий структурой и характером взаимодействия между
отдельными компонентами.
Формирование высокопродуктивных экологически устойчивых агроландшафтов
ставит задачу совершенствования земледелия и мелиорации земель на ландшафтной
основе. Ландшафтный подход предполагает ландшафтную идентификацию территории
(ландшафтная провинция, ландшафтный район и т.д.), изучение морфологической
структуры ландшафта, классификацию территории для выполнения производственных и
других функций, агроэкологическую оценку геоморфологических, литологических,
гидрогеологических и климатических условий, оценку структуры почвенного покрова и
др. Ландшафтный подход предполагает учет морфологических особенностей
агроландшафтов, их региональных различий, а также изучение многочисленных
взаимосвязей между компонентами, в том числе на уровне баланса вещества и энергии.
Мелиорация земель входит в состав и технологическую цепочку адаптивноландшафтных систем земледелия. Поэтому мелиоративные мероприятия должны
обосновываться и проектироваться с учетом ландшафтных границ и ландшафтных
особенностей территории. Современные региональные ландшафтно-мелиоративные
системы
земледелия
разрабатываются
на
основе
учета
природных
и
агропроизводственных условий ландшафтных провинций и формулируют общие
подходы к адаптации сельскохозяйственного производства к ландшафтным условиям
сравнительно однородных крупных территорий [6]. Мелиоративные системы и
сооружения должны органически вписываться в агроландшафты, а мелиоративные
режимы должны рассчитываться с учетом особенностей функционирования природных и
антропогенных ландшафтов.
Ландшафтоведение предлагает наиболее объективное по сумме всех свойств
деление территорий на ландшафтные зоны, страны, области, провинции, районы,
ландшафты и их морфологические части: местности, урочища и фации. Это деление
имеет не только научное, природоведческое значение, но и практическое, оно отчетливо
видно на тематических ландшафтных картах. На ландшафтных картах, составленных в
пределах границ административных областей, осуществляется синтез двух делений
территории – ландшафтного и административного.
Открытость фаций предопределяет их взаимосвязь и образование более сложных
ландшафтно-геохимических систем. Так, серия фаций, сменяющих друг друга от
местного водораздела к местной депрессии рельефа (к местному постоянному или
временному водотоку) и связанных латерально направленными гидрохимическими
потоками, образует ландшафтно-геохимическую катену – простейшую каскадную
ландшафтно-геохими-ческую систему и неделимую часть речного бассейна. Первичные
модели ландшафтно-геохимических катен, представляющих линейный каскад
сопряженных фаций, должны быть как минимум двумерными, учитывающими как
вертикальные, так и латеральные (в сторону водотока) потоки вещества. Поэтому надо
учитывать разное высотное положение фаций, образующих катену, взаимодействие
поверхностных и подземных потоков [4].
Наш опыт моделирования влагооборота в ландшафтах показал необходимость учета
взаимодействия фаций, образующих геохимические катены и арены. Для этого
понадобилось
соотношение
размеров
между
площадями
элювиальных,
трансэлювиальных, супераквальных и пойменных фаций. Соотношение размеров фаций
ландшафтных катен и их высотное расположение предопределяет размещение в
пространстве различных почв и биоценозов, влияет на выбор характера и интенсивности
мелиоративных воздействий.
В вертикальном направлении необходимо было оценить характерное для каждого
рассматриваемого физико-географического района взаимное высотное расположение
фаций, то есть вертикальную расчлененность рельефа первичными постоянными и
временными водотоками. Общегеографические карты эти сведения содержат в скрытом
виде. Поэтому очень полезными для решения поставленных задач оказались карта
пластики рельефа Московской области, составленная И.Н. Степановым и Н.А.
Лошаковой [9], а также карта расчленения рельефа страны, составленная Д.А.
Тимофеевым и Л.Н. Былинской [5, 10]. Анализ этих карт и совмещение их с ландшафтной
картой [1] позволили получить новую важную информацию. Указанные карты отражают
свойства литосферы, педосферы и их компоненты, а ландшафтная карта показывает
размещение и структуру природных территориальных комплексов (геосистем).
Рельеф земной поверхности является одним из главных ландшафтообразующих
факторов и элементов ландшафта. От него зависят распределение и конфигурация
гидрографической сети, характер почвенного и растительного покрова и другие
особенности местности. Рельеф земной поверхности отражает геологическую структуру
территории и ее палеогеографическую историю. Особое значение имеет рельеф
местности при сельскохозяйственном освоении территории, мелиоративном и
гидротехническом строительстве. Рельеф, то есть совокупность форм земной
поверхности, образует сплошное, непрерывное и в целом плавно изменяющееся поле
высотных отметок.
Для лучшего восприятия положительных и отрицательных форм рельефа был
предложен метод пластики рельефа /И.Н. Степанов, Н.А. Лошакова, 1993/, который
основан на геометрическом преобразовании горизонталей топографических карт любого
масштаба. Для этого вводится новая картографическая изолиния - плановой и
профильной кривизны - морфоизографа, которая соединяет точки перегиба (нулевой
кривизны), отделяя на карте выпуклые участки от вогнутых. Морфоизографа
структурирует земную поверхность путем разделения на относительные выпуклости и
вогнутости, создающие, в свою очередь, своим сочетанием системную целостность. В
дополнение к горизонталям (линиям постоянных высот) в практических целях можно
использовать две элементарные формы - выпуклые и вогнутые. Карты, составленные
методом пластики рельефа, позволяют получать дополнительную информацию о
структуре и динамике земной поверхности.
На карте пластики рельефа Московской области показаны также основные типы и
подтипы почв и содержится информация о приуроченности почв к тем или иным
морфологическим элементам рельефа.
Известно, что ряд свойств и состояний ландшафтов и их компонентов, таких как
мощность почвенного горизонта, влажность почвы и др. зависят от морфометрических
величин земной поверхности (расчленения территории, крутизны склонов и др.). Поэтому
имеется возможность прогнозировать распределение этих свойств и состояний
ландшафтов, используя морфометрические величины.
Можно использовать для уточнения морфометрических величин некоторые
свойства компонентов ландшафтов, которые являются индикаторами особенностей
местности: тип и подтип почв, мощность почвенного горизонта. Например, дерновослабо- и среднеподзолистые почвы сформировались на водораздельных пространствах.
Дерново-сильноподзолистые
почвы
сохранились
под
естественной
лесной
растительностью на водоразделах и пологих склонах. Дерново-подзолистые
слабоглееватые почвы расположены в верхних частях склонов. Дерново-глеевые почвы
находятся в понижениях овражно-балочного типа с наличием постоянного
переувлажнения или в замкнутых западинах. Они сформировались, как правило, в
верхней или средней продольной части речных долин и балочной сети. Почвы дерновоподзолистые, серые лесные и черноземные с укороченным почвенным профилем
приурочены к крутым склонам и формируются на фоне эрозионных процессов,
вызываемых формой рельефа. Почвы оврагов, балок, ложбин, пойм малых речек и
нижних частей образующих их склонов включают смытые, намытые, переувлажненные и
дерновые разности.
При анализе карты пластики рельефа нами использовался картографический метод
исследования, который представляет собой метод использования готовых карт для
познания свойств изображенных на них объектов и явлений. Это метод научного
исследования, в котором карта выступает как образно-знаковая модель изучаемого
объекта, обладающая высокой информативностью, пространственно-временным
подобием относительно оригинала, метричностью, особой обзорностью и наглядностью,
и как промежуточное звено между объектом и исследователем. Картографический метод
исследования располагает большим числом приемов анализа карт, с помощью которых
исследуют структуру и морфологию явлений с их количественной морфометрической и
статистической оценкой, выполняют прогнозные исследования [2].
Нами применялись такие графоаналитические приемы, как картометрия и
морфометрия, предназначенные для измерения и исчисления по картам количественных
показателей размеров, формы и структуры объектов. Методы картометрии предполагают
непосредственное измерение таких показателей, как длина прямых и извилистых линий,
расстояние, площадь объектов и др., а методы морфометрии - проведение расчетов
показателей формы и структуры объектов. Морфометрические показатели вычисляются
на основе картометрических данных и, как правило, являются относительными
величинами. Наиболее употребительны следующие показатели: горизонтальное
расчленение поверхности, вертикальное расчленение поверхности, показатели формы
объектов.
Горизонтальное расчленение – это характерное расстояние между расчленяющими
линиями, например, между постоянными и временными водотоками. Для характеристики
горизонтального расчленения часто используют густоту расчленяющих линий, то есть
отношение их суммарной длины к площади. Характерное расстояние между
расчленяющими линиями является величиной, обратной их густоте. Например, при
густоте водотоков, равной 0,43 км/км2, среднее расстояние между водотоками составляет
1000/0,43 = 2326 м, а ширина водосбора, примыкающего к водотоку с одной стороны,
составляет 1163 м.
Одной из характеристик форм плановых очертаний объектов, показанных на карте,
является показатель формы (f) – коэффициент, пропорциональный отношению квадрата
периметра объекта (P2) к его площади (F): f= P2/4πF. Значение этого показателя тем
выше, чем больше отклонение рассматриваемой фигуры от круга, показатель формы
которого равен единице. Этим показателем можно пользоваться для оценки формы
ландшафтных, почвенных и других ареалов, а также для характеристики длины добегания
на водосборах.
Картометрические определения довольно трудоемки, поэтому в наших
исследованиях мы использовали компьютерные технологии геоинформатики. Первым
шагом к обработке базовой тематической карты являлось ее сканирование с сохранением
цветного изображения. Из-за достаточно больших размеров карты сканирование
проводилось по частям с сохранением в стандартном TIFF-формате с последующим
сшиванием отдельных частей в единое растровое изображение. В каждом конкретном
случае осуществлялась дополнительная подготовка базовой карты (ее разгрузка или
нанесение дополнительной информации - наложение границ ландшафтных районов).
Полученный растр использовался в качестве подложки, необходимой для
оцифровки изображения – обводки всех необходимых линейных и контурных
(полигональных) объектов (сети постоянных и временных водотоков, границ
ландшафтных районов, морфоизограф, контуров типов почв) с расстановкой узловых
точек. Сканированное изображение приводилось к заданной картографической проекции
и масштабу, а оцифровка полученного изображения и картографические вычисления – в
среде ГИС MapInfo.
Оцифровка изображения является самой трудоемкой частью работы. Число
обводимых линий в границах одного ландшафтного района составляет несколько сотен, а
число узловых точек составляет десятки тысяч. Поэтому вместо ручной оцифровки могут
быть применены специальные программы – векторизаторы. Однако применение
векторизаторов также требует постоянного визуального контроля правильности
проведения линий. Кроме того, при использовании векторизаторов может потребоваться
более тщательная подготовка растрового изображения: фильтрация изображения на
основе построенной гистограммы, повышение контрастности, улучшение резкости,
переоцифровка с целью улучшения качества изображения.
Ученые лаборатории геоморфологии Института географии РАН составили карту
эрозионной опасности рельефа страны, на которой отражены такие морфометрические
параметры, как густота и глубина расчленения [5, 10]. Основой для морфометрических
работ были топографические карты масштаба 1:100000. На основании составленной
карты была дана оценка потенциальной эрозионной опасности рельефа [7], были
установлены экзогеодинамические режимы Московского региона [3]. Следует отметить,
что расчленение рельефа оценивалась исходя из частной цели – оценки интенсивности
эрозионных процессов. Поэтому при расчете густоты расчленения учитывалась длина
всех эрозионных форм рельефа ключевых участков, выделенных на топографической
карте масштаба 1:100000. Поэтому приводимые на карте значения общей густоты
расчленения рельефа в несколько раз превышают значения густоты расчленения
постоянной и временной сетью водотоков.
Для нас больший интерес представляла содержащаяся на указанной карте
информация о вертикальном расчленении рельефа, под которым понимается характерное
превышение местных водоразделов над берегами примыкающих водотоков.
Анализ карт пластики и расчленения рельефа позволил получить новую
информацию, необходимую для моделирования передвижения влаги в ландшафтногеохи-мических катенах при обосновании водных мелиораций. Каждый ландшафтный
район в пределах Московской области мы характеризовали набором картометрических и
морфометрических показателей. В таблице 1 приведены полученные численные значения
этих показателей для одного из ландшафтных районов – Западного района ВерхнеВолжской ландшафтной провинции в пределах Московской области. Следует отметить,
что рассчитанная по карте пластики рельефа густота расчленения постоянной и
временной сетью водотоков совпадает с густотой расчленения речной сетью,
представленной на схематической карте, приведенной в работе [8]. Вертикальное
расчленение рельефа определено как средневзвешенное из представительных значений
для ландшафтного района.
Таблица 1
Результаты картографического анализа Западного района Верхне-Волжской
ландшафтной провинции
Картометрические и морфометрические
показатели
Площадь ландшафтного района, Fл
Периметр ландшафтного района, Рл
Показатель формы ландшафтного района, fл
Площадь внутри морфоизограф, Fм
Длина морфоизограф, Pм
Показатель формы морфоизограф, fм
Густота расчленения территории, А
Вертикальное расчленение территории, 
Соотношение, Fм/Fл
Единица
измерения
км2
км
км2
км
км/км2
м
-
Величина
1534,45
245,90
3,14
502,04
1274,81
257,73
0,43
15,10
0,33
Одной из важных составляющих ландшафтного анализа территории является
оценка структуры почвенного покрова территории, то есть пространственное размещение
почв, связанное с литологическими и геоморфологическими условиями. Результаты
картографического анализа распространенности почв на территории Западного района
Верхне-Волжской
ландшафтной
провинции
в пределах Московской области
представлены в табл. 2.
Таблица 2
Распространенность почв Западного района Верхне-Волжской
ландшафтной провинции
Почвы
Площадь, %
Дерново-слабо- и среднеподзолистые
4,4
Дерново-сильноподзолистые
18,4
Дерново-подзолистые слабоглееватые
17,4
Дерново-подзолистые глееватые и глеевые
23,5
Торфянисто- и торфяно-подзолистые оглеенные (глееватые и
глеевые)
5,6
Дерново-глеевые
1,9
Почвы речных пойм
15,9
Болотные почвы
4,0
Дерново-подзолистые с укороченным почвенным профилем
4,2
Почвы оврагов, балок, ложбин, пойм малых речек и нижних
частей образующих их склонов
4,7
Данные таблиц 1 и 2 позволяют схематизировать рельеф земной поверхности в
пределах рассмотренного ландшафтного района, генерализовать и схематизировать
размещение различных почв по длине ландшафтно-геохимических катен при
моделировании влагообмена в сопряженных фациях с целью обоснования водных
мелиораций.
Библиографический список
1. Анненская Г.Н., Жучкова В.К., Калинина В.Р., Мамай И.И. и др. Ландшафты
Московской области и их современное состояние. Смоленск: Изд-во СГУ, 1997. 296 с.
2. Берлянт А.М., Востокова А.В., Кравцова В.И. и др. Картоведение. М.: Изд-во «Аспект
Пресс», 2003. 477 с.
3. Бронгулеев В.В., Жидков М.П., Макаренко А.Г. Экзогеодинамические режимы
Московского региона //Геоморфология, 2001. № 3. С. 34-47.
4. Голованов А.И., Кожанов Е.С., Сухарев Ю.И. Ландшафтоведение. М.: КолосС, 2005,
216 с.
5. Карта эрозионного расчленения территории СССР. М-б 1:2500000. //Под ред. Д.А.
Тимофеева. М.: Институт географии РАН, 1985.
6. Ковалев Н.Г., Иванов Д.А. Адаптация сельскохозяйственного производства к
природным условиям осушаемых агроландшафтов //Мелиорация и водное хозяйство,
2004. № 4. С. 9-11.
7. Маккавеев А.Н., Сетунская Л.Е., Волкова М.И. Расчлененность рельефа как показатель
интенсивности эрозионных процессов //Геоморфология, 1993. № 2. С. 22-31.
8. Ресурсы поверхностных вод СССР. Т. 10. Верхне-Волжский район. Кн. 1. //Под ред.
Ю.Е. Яблокова. М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1973.
9. Степанов И.Н., Лошакова Н.А. Московская область. Пластика рельефа. Почвы. М-б
1:350000. М.: Картографическое приложение к журналу «Лик», 1993.
10. Тимофеев Д.А., Былинская Л.Н. Карта оценки эрозионной опасности рельефа СССР
//Тезисы докладов четвертой Всесоюзной конференции «Закономерности проявления
эрозионных и русловых процессов в различных природных условиях». М.: Изд-во
МГУ, 1987. С. 24-25.