Введение
Настоящие методические указания направлены на оказании помощи студентам при выполнении лабораторных работ по изучению флювиальных форм рельефа с использованием аэрофотоснимков (АФС) и топографической карты. Целью данной работы является закрепление теоретических знаний по курсу «Геоморфология с основами геологии». В первой части рассматриваются вопросы получения объемной модели местности с использованием стереоскопической пары АФС, определения положения основных форм рельефа флювиального происхождения и нанесение их на топографическую основу. Определяются методы дешифрирования форм рельефа, созданных постоянными и временными водотоками. Вторая часть посвящена изучению этих форм по топографическим картам. В методическом указании приводится последовательность выполнения работы и пример оформления задания.
Флювиальные формы рельефа
Изучение флювиальных форм рельефа проводится по топографическим картам, аэрофотоснимкам и космическим изображениям. В работе применяются стереоскопическая пара снимков, ГИС проект, стереоскоп и калька размером А4. На первом этапе под руководством преподавателя студенты получают объемную модель местности с использованием стереоскопа. Объемная модель помогает распознавать формы рельефа различного происхождения, позволяет определять относительные высоты, направление склонов, а также структурные линии, такие как бровку, подошву, водораздел и тальвег. Стереоскопическая пара снимков представляет собой два изображения с зоной взаимного перекрытия, которая именуется рабочей площадью снимка. Геоморфологическое дешифрирование выполняется в пределах рабочей площади. Рабочая площадь обозначается рамкой прямоугольной формы. Верхняя граница должна соответствовать северной рамке снимка. Пример стереоскопической пары снимков и обозначенной рамки приведен на рис.1. Рамка красного цвета располагается в центральной части снимка.
Рис. 1. Выделение рабочей площади (прямоугольник в центре) стереоскопической пары снимков.
На втором этапе в пределах рабочей площади снимка выделяется русло реки. Русло реки занимает наиболее низкую часть речной долины. Руслохарактеризуется извилистой полосой различного тона. Тональностьрусла зависит от скорости течения реки, прозрачности воды и состава пород, подстилающихрусло. Чаще всего русло отображается черным и почти черным тоном (рис. 2а). Реже русло реки может быть серого и даже светло-серого тона (рис. 2б).
Рис. 2а. Русло многорукавной реки.
Рис. 2б. Меандрирующее русло.
Рис. 3. Слабоизвилистое и прямолинейное русло с вынужденной излучиной.
Главной особенностью русла является его форма. Можно выделить три основных разновидности русла. К первому можно отнести прямолинейную и слабоизогнутую форму. Самая распространенная форма это извилистое или меандрирующее русло. Русло, которое разделяется или разветвляется на несколько частей, называется многорукавным или бифуркирующим. Примеры различных типов русел показаны на рисунках 2а, 2б и 3. Задача студента обнаружить на снимке русло реки и нанести его на основу или в электронном виде (рис.4а и 4б).
Рис. 4а. Дешифрирование русла многорукавной реки.
Рис. 4б. Дешифрирование русла меандрирующей реки.
Русло притоков небольших водотоков и тальвег обозначаются внемасштабными условными обозначениями. Для их распознавания необходимо воспользоваться стереоскопической моделью (рис. 5).
Рис. 5. Отображение русел притоков (сплошная линия) и тальвегов (пунктирная линия).
Следует иметь в виду, что линии тальвегов и русел не должны прерываться. Тальвеги и русла соединяются в единую сеть (рис.5).
Третий этап дешифрирования включает в себя распознавание отмелей и кос, а также определение направления течения реки. Отмели и косы располагаются вдоль русла вытянутыми полосами либо фрагментами. Приурочены к внутренней стороне излучины реки, иногда образуя острова, которые называются осерёдками. Тон отмелей зависит от состава аллювиальных отложений. Песчано-галечниковые отмели и косы отличаются белым и почти белым фототоном. Илистые и песчано-илистые осадки имеют серый и светло-серый оттенок. Студент должен обнаружить отмели и косы на аэрофотоснимке и обозначить их на кальке (рис. 6).
Рис. 6. Дешифрирование отмелей и кос. Белым крапом выделены отмели и косы.
Направление течения реки можно определить двумя способами. Первый основан на изучении формы косы и осерёдка. Округлая часть всегда направлена против течения, а острие косы или осерёдка указывает, куда течет река (рис. 7).
Рис. 7. Определение направления течения реки. Острая часть косы показывает, куда течет река.
Определить направление течения реки можно также по изгибу водотока в месте впадения в главную реку. Изгиб притока в устье соответствует направлению течения главной реки. В процессе выполнения практического задания студент выбирает способ определения направления течения реки, исходя из анализа изображения, и должен объяснить и обосновать свой выбор.
Дешифрирование поймы проводится на четвертом этапе. Пойма или пойменная терраса представляет собой наиболее низкую часть днища долины, которая заливается водой в половодье. Пойма занимает большую часть днища долины и располагается между склонами долины и фрагментами надпойменных террас. Следы половодья проявляются в виде относительно небольших форм рельефа. К ним относятся гривы и прирусловые валы (положительные формы рельефа), старицы и пойменные протоки (отрицательные формы рельефа). Гривы, прирусловые валы и старицы характерны для рек с меандрирующим руслом. Пойменные протоки образуются в долинах рек с многорукавным руслом. Гривы представляют собой невысокие узкие вытянутые возвышения, сложенные аллювием реки и находятся недалеко от русла. В плане гривы располагаются параллельно друг другу и чередуются с неглубокими аналогичными по форме понижениями. В целом, рисунок в плане напоминает веер (рис. 8).
Рис. 8. Дешифрирование грив на пойме. Гривы выделены пунктирной линией.
Молодые гривы протягиваются параллельно либо почти параллельно современному руслу. Более раннего происхождения располагаются под углом к руслу реки. Возвышенные части грив заняты древесной и кустарниковой растительностью. На аэрофотоснимках они выражаются узкими полосами более темного тона (рис. 8). Гривы придают поверхности поймы слабую волнистость. Правда, стереоскопически она проявляется не всегда. Такая пойма называется гривистой. Прирусловые валы внешне напоминают гривы, однако их вертикальные и горизонтальные размеры больше. Они не заливаются водой в половодье и находятся рядом с руслом (рис. 9).
Рис. 9. Обозначение прирусловых валов и стариц.
Старица или старое русло представляет собой озеро, форма в плане напоминает участок русла. Форма озера изогнутая, подковообразная. Фототон черный либо почти черный. Ширина старицы примерно соответствует руслу реки. Старицы занимают пониженные части поймы. Могут располагаться между прирусловых валов или грив. В развитии старицы можно выделить несколько стадий. Старичное озеро со временем заболачивается, сокращается в размере и постепенно превращается в старицу заболоченную. Форма старицы сохраняется, а тон становится светло-серым, что соответствует спектральным значениям болотной растительности (рис. 9 и 10).
Рис. 10. Дешифрирование стариц – 1 и заболоченных стариц – 2.
Пойменные протоки формируются только в поймах бифуркирующих или многорукавных рек. Образование пойменных проток связано с отмиранием отдельных рукавов, которые постепенно превращаются в изолированные вытянутые водоемы или сухие русла. На аэрофотоснимках они отображаются узкими полосами светло-серого и серого тона вблизи существующих рукавов реки (рис. 11).
Рис. 11. Дешифрирование поймы многорукавной реки. Линии коричневого цвета – пойменные протоки.
В долинах рек с высокой антропогенной нагрузкой в поймах часто отсутствуют такие микроформы рельефа как старицы, прирусловые валы, гривы и пойменные протоки. В этом случае распознавание поймы производится с учетом ее гипсометрического положения, определения относительной высоты поверхности над урезом воды в русле реки. Для этого используется топографическая карта и (или) цифровая модель рельефа (ЦМР). На топографической карте отмечаем отметки уреза реки, отметки изучаемой поверхности, превышения обрывов и уступов (рис. 12а и 12б). Определяем относительную высоту каждой поверхности на основании данных, выделенных на топографической карте (рис. 12а). Наиболее низкая поверхность (∆ h=2-2,5м), расположенная на внутренней стороне излучены реки, будет поймой (рис.12б). Внешняя граница проходит по уступу, хорошо просматриваемому на аэрофотоснимке. Пример картографирования поймы показан на рис. 13. Таким образом, топографическая карта помогает рассчитать гипсометрическое положение поверхности поймы, а изображение – провести ее границы.
На этой стадии студенты проводят дешифрирование поймы, определение форм пойменного микрорельефа и наносят их на топографическую основу.
Пятый этап практического задания заключается в дешифрировании надпойменных террас. Надпойменные террасы это ступени в долине реки, возвышающиеся над поймой. Они встречаются отдельными фрагментами и примыкают к склонам долины. Каждая ступень представляет собой плоскую либо слабонаклонную к реке поверхность. 1-ая надпойменная терраса – наиболее низкая ступень над поймой. Следующая относительно более высокая ступень получила название 2-ой надпойменной террасы и т.д. Количество надпойменных террас зависит от тектонических условий и времени формирования речной долины. Относительная высота надпойменных террас измеряется над меженным руслом реки. Ее расчет производится по данным топографической карты или ЦМР. Для равнинных рек превышения надпойменных террас составляют нескольких метров. В горной и предгорной местности они могут достигать десятки метров. От бровки до подошвы относительная высота террас постепенно увеличивается, что обусловлено увеличением высоты тыловой части за счет чехла склоновых отложений. Поэтому, относительная высота надпойменной террасы измеряется интервальным показателем (∆h=4 -4,5м). Величина этого показателя определяется эмпирическим путем. Гипсометрическое положение речных террас является важнейшим диагностическим признаком при их выделении. На протяжении всей длины долины от истока к устью эта величина может немного изменяться, но в пределах небольшого участка реки является
Рис. 12а. Определение относительной высоты поверхности с использованием данных топографической карты. 1 – отметки уреза реки; 2 – отметки, изучаемой поверхности; 3 – относительные превышения обрывов и уступов; 4 – расчет высот по горизонталям.
константой. Определение относительной гипсометрии надпойменных террас осуществляется с привлечением топографической карты или ЦМР (рис. 12а). Дешифрирование надпойменных террас можно выполнить и с использованием стереоскопической модели. Для этого необходимо определить ступени в долине реки, возвышающиеся над поймой. На надпойменных террасах отсутствуют формы пойменного микрорельефа, такие как гривы, старицы, прирусловые валы и пойменные протоки. Рисунок изображения становится более ровным и однородным. Надпойменные террасы располагаются в долине реки фрагментами. Чем выше относительная высота надпойменной террасы, тем, как правило, меньше площадь фрагмента. Встречаются высокие надпойменные террасы значительно реже. Пример дешифрирования надпойменной террасы
Рис. 12б. Положение выделенных отметок рельефа на аэрофотоснимке. Звездочкой помечено положение поймы.
с использованием объемной модели местности приводится на рисунке 14. На нем фрагмент 1- ой надпойменной террасы имеет отличный от поймы рисунок и тон изображения. Граница отчетливая на всем протяжении. Стереоскопически положение надпойменных террас можно определить только относительно. Поверхность первой террасы располагается выше второй.
При дешифрировании надпойменных террас следует учитывать положение уступов и незначительных перегибов в рельефе отчетливо проявляющихся на снимках. По ним проводится граница этих форм рельефа. Смена растительного покрова также указывает на изменение гипсометрического уровня поверхности террасы. Пойма отличается частой сменой и разнообразием растительного покрова. Густая, влаголюбивая и болотная растительность чередуется с участками, лишенными растительного покрова. На снимках такой характер растительности выражается сложным рисунком изображения. Растительность надпойменных террас сомкнутая меньше увлажнена, но более однородная.
Рис. 13. Дешифрирование поймы на космическом изображении. Пойма показана зеленым цветом.
Рис. 14.Дешифрирование поймы (темно-зеленого цвета) и фрагмента 1 надпойменной террасы (салатовый цвет).
Следующий этап дешифрирования состоит в распознавании склонов долины (коренного берега). В зависимости от положения по отношению к направлению течения реки различают правый и левый склон долины (коренной берег). Склон долины состоит из следующих элементов. Бровка представляет собой линию выпуклого перегиба и ограничивает коренной берег сверху. Подошвенная линия (подошва) проходит по основанию склона. Между бровкой и подошвой располагается собственно поверхность склона. Поверхность склона долины может быть ровной, выпуклой, вогнутой и волнистой иногда ступенчатой. Линии бровки и подошвы служат границами при дешифрировании коренного берега. Склоны речной долины обычно отчетливо выражены и хорошо просматриваются стереоскопически. В связи с особенностью формирования изображения на аэрофотоснимках склоны южной и западной экспозиции представляют собой освещенную поверхность, на которой хорошо просматриваются обе границы склона (бровка и подошва). Склоны северной и восточной экспозиции закрыты собственной тенью. В этом случае линия бровки выражена достаточно контрастно и проходит по границе тени. Подножие склона часто маскируется падающей тенью, что не позволяет достоверно определить положение подошвы. Уточнить проведение подошвенной линии позволит стереоскопическая модель. На рис. 15 приведен пример распознавания освещенного и затененного склонов долины.
Рис. 15. Дешифрирование склонов различной экспозиции. 1 – склон южной экспозиции; 2 – склон северной экспозиции.
Бровка и подошва склона 1 уверенно определяются благодаря освещенности его поверхности. Линия бровки склона 2 совпадает с границей тени. Основание склона 2 скрыто падающей тенью. Тень от склона долины 2 частично перекрывает и пойму. В этом случае подошвенная линия на плоском изображении замаскирована тенью коренного берега. Определить положение подошвы возможно только с помощью стереоскопической модели местности. Следует иметь в виду, что рисунок линии бровки и подошвы в плане может представлять собой сложную извилистую, иногда зигзагообразную форму (рис.16).
Рис.16. Дешифрирование линий бровки и подошвы освещенного склона.
Подобный рисунок обусловлен расчленением склона промоинами – небольшими эрозионными формами. Промоины отчетливо просматриваются слегка изогнутыми узкими полосами черного цвета, расположенными поперек склона долины между бровкой и подошвой. Бровка затененного склона северной экспозиции (2) на рисунке 15 определяется по границе тени на аэрофотоснимке. Основание склона или подошва скрыта на изображении теневой полосой, отбрасываемой самим склоном. Такая тень называется собственной. Она маскирует положение подошвенной линии (3) на снимке (рис.17). В этом случае для ее распознавания следует использовать стереоскопическую модель, которая позволит в теневой зоне провести линию подошвы.
Рис. 17. Дешифрирование бровки и подошвы затененного склона. 3 - линия подошвы.
Заключительный этап работы - дешифрирование долин временных водотоков. На аэрофотоснимках временные водотоки представляют собой в зависимости от природной зоны овражно-балочную сеть либо небольшие притоки главной реки. На втором этапе русла временных водотоков были уже выделены (рис. 5). Следующей стадией работы становится определение бровки долины временного водотока. Этот вид дешифрирования выполняется только с использованием стереоскопа. При внимательном просмотре стереоскопической модели линия бровки (1) имеет сложный извилистый, часто зигзагообразный контур (рис. 18). Склоны долины (2) вытянуты вдоль русла временного водотока, но не строго параллельно ему. Освещенные склоны чередуются с затененными участками, что может создавать трудности при нанесении бровочной линии. Сложный рисунок долины временного водотока обусловлен наличием большого числа небольших водотоков и промоин (3) на склонах (рис. 18). Необходимо отметить, что рисунок овражно-балочной сети, а также конфигурация долин временных водотоков во многом определяется их географическим положением в различных природно-климатических условиях. Примеры отображения долин временных водотоков показаны на рисунках 19 и 20.
Результатом работы должна стать геоморфологическая схема, выполненная на кальке, бумаге или в электронном виде. Работа оформляется размером А4 альбомной раскладки. Схема располагается в левой части листа и ограничена рамкой. Справа размещается условные обозначения. Каждый условный знак находится внутри рамочки прямоугольной формы, правее дается его текстовая характеристика. Последовательность расположения условных знаков должна соответствовать этапам дешифрирования. В верхней части листа – название работы «Геоморфологическое дешифрирование». Внизу подписывается фамилия и инициалы студента, факультет и номер группы. Пример оформления готовой работы показан на рисунке 21.
Рис. 18. Дешифрирование бровки (1), склонов долины временного водотока (2) и промоин (3).
Рис. 19. Отображение долин временных водотоков в разных природно-климатических районах (снимки 3-4).
Рис. 20. Выделение овражно-балочной сети.
Рис. 21. Пример оформления выполненной работы.