Введение
Всестороннее исследование акваторий крупных рек в настоящее время является актуальной проблемой, поскольку значение природных ресурсов в жизни человеческого общества стремительно растёт. Наравне с использованием ресурсов в экономических целях, увеличивается потребность в количественной оценке их влияния на жизнедеятельность людей и возможности прогнозирования ситуаций, обусловленных наводнениями.
Феномен наводнений застиг человечество врасплох еще в давние времена. В качестве ареала обитания люди старались выбирать, главным образом, пойменные территории речных бассейнов, которые имеют свойство периодически затапливаться. Изучение поймы в настоящей работе рассматривается прежде всего с позиции возможности обеспечить безопасную жизнедеятельность населения, поскольку часть населённых пунктов района исследований располагается непосредственно на территории пойменных массивов и подвергается затоплению в период половодья
В разных уголках планеты наводнения характеризуются определенными генетическими типами и группируются в пределах ареалов со сравнительно устойчивыми границами; они различаются по времени возникновения и степени интенсивности. Несмотря на качественные отличительные черты этого явления, есть у него одна общая количественная особенность – причиняемый ущерб человеческому обществу и его материальным ценностям.
Существует различие между потенциальной опасностью наводнений по гидрологическим причинам и риском наводнений для освоенной человеком территории. Потенциальная опасность наводнений по гидрологическим причинам, т.е. без учета социально-экономического фактора, определяется степенью неожиданности и высотой затопления местности. Чем реже случается наводнение, тем больше его опасность. Интересные выводы о рисках наводнений приведены в работе Добровольского и Истоминой «Наводнения мира», 2006. Авторы утверждают, что основной ущерб от наводнений принадлежит не имущественной сфере, а гуманитарной: за период с 1998 по 2002 г. в наводнениях потерян только каждый 250-й доллар ВВП мира, но при этом лично пострадал при эвакуации примерно каждый 50-й житель Земли. Помимо этого, по мнению авторов, более объективным показателем ущерба от наводнений служит количество эвакуированных людей.
Согласно генетической классификации наводнений, все наводнения разделяются на две большие группы – наводнения на реках и озерах и наводнения на побережьях морей и океанов. Последние, в свою очередь подразделяются на природные, природно-антропогенные и антропогенные. В этой статье на примере среднего течения реки Обь (в пределах Томской области) будет рассмотрен один из наиболее распространённых генетических типов, обусловленных природным происхождением, – половодья в период снеготаяния.
Постановка проблемы
Интенсивность и длительность речных наводнений зависят от ряда природных и антропогенных факторов. В рамках территории Обского бассейна более подробно рассмотрены такие аспекты, как изменчивость климатических показателей, объём стока и ледовые явления, которые в современных условиях подвержены определенной динамике.
На территории России к одним из наиболее чувствительных районов к изменениям климата в части опасных наводнений на реках относится западносибирская область умеренного пояса, где сохраняется опасность заторных наводнений в половодье и наводнений при дождевых паводках, и высокогорная климатическая область умеренного пояса на юге Сибири с характерным увеличением частоты опасных наводнений при весеннем и весенне-летнем половодье, летних дождевых паводках. Обе эти территории охватывают бассейн реки Оби.
В пределах Западной Сибири процесс глобальных климатических изменений прежде всего отражается в увеличении среднегодовых температур воздуха и динамике количества жидких и твердых осадков. Согласно исследованиям, в последние десятилетия среднегодовые температуры воздуха в Западной Сибири повсеместно увеличились. Так, в пределах водосбора р. Обь наблюдается увеличение среднегодовой температуры воздуха на 0,3 °C за период с 1970 по 2015 г. (рис. 1) и отмечается переход среднезимних температур на 1,9 °С выше климатической нормы в части равнины, расположенной южнее 62° с.ш., за период 1986–2015 гг. При этом следует отметить, что для южной части Западно-Сибирской равнины характерен положительный тренд среднегодовых сумм осадков 9,5 мм/10 лет, а на всей ее территории в целом происходит повсеместное увеличение осадков зимнего периода на 23 % (за 1986–2015 гг.) по отношению к норме 1966– 1985 гг. В условиях повышения количества осадков в зимний период гидрологический режим территории претерпевает изменения.
Рис. 1. Средняя годовая температура на водосборе р. Обь и ее пятилетнее скользящее среднее
На территории Обского бассейна межгодовая изменчивость объемов годового стока невелика, наблюдается нечеткая цикличность и чередование периодов разной временной продолжительности и водности, а также незначительный рост годового стока воды. При этом если с 1962 по 2000 г. на юге Западно-Сибирской равнины прослеживалась тенденция снижения среднегодовых расходов воды на Оби, то начиная с конца 1990-х гг. наблюдается рост среднемесячных расходов воды. Из-за отсутствия измерений расходов воды в исследуемом районе (гидропост в пос. Победа) приведены данные с гидропоста в с. Дубровино. Пункт наблюдений в с. Дубровино расположен в близких гидролого-геоморфологических условиях и является ближайшим к району исследований, где проводились измерения гидрологических показателей (рис. 2, а, б).
Рис. 2. Динамика расходов воды Q на Оби (гидропост с. Дубровино):
a – среднегодовых за период 1962–2020 гг., b – среднемесячных в мае за период 1962–2020 гг.
Стабилизацию среднемесячных расходов воды после 1990 г. и даже некоторый рост в 2000-е гг. отмечают и другие исследователи.
Высота речных наводнений, вызываемых половодьями на равнинных реках, зависит от степени естественной зарегулированности их стока. Снижение уровня воды и максимального расхода паводковых вод оказало влияние на глубину и продолжительность затопления поймы в сторону уменьшения.
Связь между объемом стока и высотой половодья прямая, но на локальных участках (в местах впадения крупных притоков, обладающих иной ритмикой водного режима, чем р. Обь, или в связи с заторами льда) может происходить затопление высоких поверхностей поймы даже в годы, которые по гидрологическим характеристикам оцениваются как средневодные и маловодные.
На реках Западно-Сибирского региона случаются значительные наводнения в период весеннего половодья, которые обусловлены большими расходами воды и образованием мощных ледяных заторов, формирующихся у поворотов русла и в узлах разветвлений. На формирование заторов оказывают влияние гидрометеорологические (переменные) и мофологические (постоянные) факторы. К первым относятся интенсивность весеннего половодья, распределение толщины льда, прочность льда, уровенный и ледовый режим предшествующих осеннего паводка и зимней межени; ко вторым – наличие островов в русле реки, рукава, излучины, сужения и т.п., способствующие усилению процесса заторообразования.
Наибольшее влияние на частоту возникновения ледяных заторов в районе исследования оказывает прежде всего разделение речного потока (русловая многорукавность – доминирующий здесь тип русла), затем плановые русловые деформации и глубина речного потока. На исследуемом участке Оби наблюдаются крупные заторы, повторяемость которых составляет от 60–80 %, и заторные подъемы уровня достигают 3–5 м. Наблюдается и существенная трансформация ледового режима рек юга Западно-Сибирской равнины. Так, на протяжении последних десятилетий происходит увеличение повторяемости и масштаба заторных наводнений с общим сокращением продолжительности ледостава и увеличением продолжительности ледохода (рис. 3).
Рис. 3. Изменение дат вскрытия (1) и продолжительности ледохода (2) на р. Томи в районе г. Томска за период 1918–2010 гг.
Сокращение продолжительности ледостава и периода с ледовыми явлениями прежде всего происходит за счет смещения сроков появления льда и весеннего вскрытия реки. Смещение дат окончания фазы замерзания на более поздние сроки обусловлено увеличением водности осенней межени на реках Западной Сибири. Причиной сдвига сроков весеннего вскрытия реки на более ранние является изменение даты перехода среднесуточной температуры через 0 °С весной и осенью, а также сумм отрицательных температур воздуха, что также влечет уменьшение толщины льда.
Все перечисленные аспекты напрямую оказывают влияние на морфологический облик поймы. Например, воздействие ледяных заторов на рельеф проявляется в переформировании конфигурации русла и образовании специфических форм рельефа на пойме – длинных рытвин. В период затопления поймы, во время взаимодействия пойменного и руслового потоков, в разные фазы гидрологического режима происходит образование половодного рельефа преимущественно аккумулятивного генезиса.
В свою очередь, данные о рельефе земной поверхности (в нашем случае – пойменном рельефе) необходимы при анализе и прогнозировании последствий половодий и паводков, поскольку позволяют достаточно точно определить границы области затопления. Формы рельефа отражают результаты всех прошедших наводнений, которые ускорили процессы эрозионного расчленения, оказали влияние на перенос и отложение вещества и на протяжении длительных периодов времени формировали геоморфологический облик территории.
Район исследования
Территория исследования располагается в юго-восточной части Западно-Сибирской равнины, в долине р. Обь в среднем течении, в пределах Шегарского района Томской области (рис. 4). В геоморфологическом отношении участок расположен в пределах Обь-Тымской низменности, сложенной аллювиальными отложениями. Русло Оби в исследуемом районе характеризуется русловой многорукавностью с относительной устойчивостью, последняя определяет скорость размыва берегов 4–5 м/год. Отличительной особенностью данного участка является преобладание плеса сопряженных русловых разветвлений. Пойма реки на данном участке отличается большой шириной, непрерывностью и преимущественно двухсторонним распространением. Средняя ширина поймы – около 6 км. Геоморфологический тип поймы здесь – ложбинно-островной, в рельефе береговых участков которого сочетаются широкие (900–1 500 м) плосковершинные гряды и разделяющие их узкие (10–15 м) и относительно глубокие ложбины (2–4 м). В соответствии с разнообразием форм рельефа и их расположением были выделены геоморфологические разновидности поймы: прирусловая, наложенная прирусловая, центральная гривистая, центральная выровненная, притеррасная. Функционирование пойменных ландшафтов типично для долин рек Западно-Сибирской равнины: характерно динамическое равновесие основных параметров структуры ландшафтов, и они испытывают лишь периодические колебания.
Рис. 4. Обзорная карта исследуемого района
Томская область, Шегарский район, д. Оськино, пос. Победа, д. Старая Шегарка
В гидрологическом отношении изучаемый участок р. Оби до впадения р. Томи является практически бесприточным. Среднегодовой расход воды здесь составляет 1 630 м3/с, максимальный – 9 670 м3/с (в условиях регулирования стока Новосибирским гидроузлом), а средний годовой сток данного отрезка реки составляет 60 км3. В отношении стока взвешенных наносов на исследуемом участке наблюдается тенденция к его уменьшению (во все месяцы). В половодье (май, июнь) сокращению стока наносов способствует снижение среднемесячных расходов воды и, как следствие, снижение размывающей способности потока, что способствует уменьшению мутности. Снижение стока наносов в летне-осеннюю межень (июль–октябрь) обусловлено уменьшением мутности воды при относительно стабильных и несколько повышенных расходах воды. Ежегодный слой осадка здесь составляет 0,53 мм. Закономерного изменения среднего диаметра аллювия вниз по течению и в связи с изменением уклонов не отмечается. В процессе транспортировки наносов в половодье происходит их осаждение в русле и на поверхности поймы в виде генетически различных фаций, в результате чего формируются пойменный рельеф и характерные аллювиальные почвы.
Основной фазой водного режима является весенне-летнее половодье, наблюдающееся с апреля по июль. В период половодья на р. Оби проходит до 70 % годового стока. В многоводные годы доля стока половодья возрастает до 80 %, в маловодные снижается до 50 %. В современный период наблюдений (после 1959 г.) тенденции к понижению максимальных уровней воды в среднем течении р. Оби обусловливают некоторое сокращение площади, глубины и продолжительности затопления поймы. По воздействию половодья Шегарский отрезок поймы относится к участку, где его воздействие сказывается лишь на низких поверхностях.
Наводнения на Оби классифицируются как длительные, которые проходят на равнинных реках с незначительными уклонами пойменно-руслового комплекса и в условиях затяжных половодий. Так, средний продольный уклон долины Оби составляет 0,085 ‰ (согласно расчёту по средним уровням воды Оби у пос. Победа и с. Никольское), а продолжительность половодья может достигать 120–150 дней. Продолжительность подъема уровней воды на Оби достигает 30–35 дней, средняя интенсивность подъема – 30– 35 см/сут.
Скорость течения реки Обь на участке Новосибирская ГЭС – устье реки Томь в период половодья составляет 1,4–1,6 м/с (5,0–5,6 км/ч), в межень – 0,75–0,8 м/с (2,7–3,0 км/ч), в то время как допустимые неразмывающие скорости для отложений, слагающих берега, варьируют от 0,17 до 0,75 м/с, следовательно, трансформация современного рельефа долины прежде всего происходит под воздействием речной эрозии, боковой и донной в частности. К еще одному экзогенному процессу, который развивается благодаря затоплениям территорий, относится заболачивание. В настоящее время происходит интенсивное заболачивание изучаемого региона, характеризующееся вертикальным приростом торфяной залежи около 1 мм/год и приростом болот в плане – до десятков тысяч га/год.
Помимо природных факторов, существенное воздействие на гидрологический режим Оби и ее геоморфологический облик оказывает антропогенная нагрузка. В пределах рассматриваемого участка степень антропогенной нагрузки определяется эксплуатацией Новосибирской ГЭС.
Наибольшее влияние на гидрологический режим оказывает сезонное регулирование стока, которое проявляется в заполнении водохранилища весной и в его сработке в межень. В зависимости от водности года объемы притока и сбросов в мае–июне могут изменяться в широких пределах: приток – от 22,4 км 3 в многоводный и до 8,6 км 3 в маловодный год, сбросы, соответственно, от 18,6 до 5,8 км 3 в год.
Изменение ледового режима Оби после создания водохранилища прежде всего связано с тем, что поступающая из водохранилища вода в зимнее время имеет температуру выше 0 °C, а зимние расходы воды в нижнем бьефе стали больше. Сдвинулись сроки появления ледовых явлений, несколько уменьшилась толщина льда, снизилась интенсивность осеннего и весеннего ледоходов.
Воздействие водохранилища на режим половодья проявилось в снижении повторяемости расходов воды (более 3 000 м3/с) с 24 до 16 %; доля экстремальных расходов (более 6 000 м3/с) снизилась более чем в 2 раза. Коэффициент внутригодовой неравномерности стока уменьшился в среднем по водности году с 0,75 до 0,65, что в свою очередь, повлекло изменение величины и обеспеченности руслоформирующего расхода воды, которая в пределах исследуемого района равна 11,9 % до выхода на пойму.
Длительное воздействие на русло расходов воды высокой межени и низких половодий (от 500 до 3 000 м3/с) послужило причиной отмирания отдельных рукавов и снижения их водности; развития излучин, новых островов и осередков в основных рукавах; формирования молодой поймы на месте прирусловых отмелей, уменьшения контрастности руслового рельефа. При постоянном регулировании стока природные комплексы поймы претерпевают трансформации, приспосабливаясь к изменившимся гидрологическому и русловому режимам. На ставших незатопляемыми массивах деградируют старичные и болотные ландшафты; вместе с тем на низких поймах в старичных понижениях кустарниковая растительность сменяется болотной.
Материалы и методы
Объем ущерба, причиняемого наводнениями, зависит от многих факторов, один из которых – своевременное прогнозирование
Научно-методической основой прогнозирования наводнений является анализ количественных связей между факторами, которые определяют их возникновение (жидкие осадки, температура воздуха и т.д.), и гидравлическими параметрами половодного потока. Следовательно, для создания систем мониторинга и прогнозирования наводнений требуется существенное количество данных о той или иной территории. К одной из проблем прогнозирования наводнений в России относится недостаточное количество гидрологических постов, осуществляющих регулярный мониторинг гидрологической обстановки на реках и предоставляющих актуальную информацию об уровнях воды. Так, на реке Обь в Томской области на настоящий момент действует всего лишь шесть гидропостов, а число подверженных затоплению населенных пунктов более 40. Вопрос об изученности районов паводкового риска в ряде других стран мира пока, к сожалению, тоже остается открытым. Несмотря на наличие пробелов в необходимых для прогнозирования сведениях, осуществить прогноз рассматриваемого опасного явления возможно при помощи методов компьютерного моделирования с использованием геоинформационных систем (ГИС) и данных дистанционного зондирования (ДДЗ).
Авторами разработан ряд методик, направленных на выполнение задач геоинформационного картографирования, моделирования и прогнозирования затоплений. Данные методики разработаны преимущественно на основе открытых данных дистанционного зондирования Земли (спутниковые снимки, ЦМР SRTM и др.), различных гидрологических и математических моделей, сведений о гидрометеорологических параметрах, информации о рельефе территорий, классификации данных и т.д.
В качестве примера эффективного использования ДДЗ для целей мониторинга, прогнозирования и оценки наводнений в России можно привести Геопортал Роскосмоса; автоматизированный комплекс «Мониторинг паводковой обстановки» на базе спутниковых ДДЗ, разработанный в НИЦ «Планета»; информационную систему «ГИСГидрология» и др.
Значительный объем информации о процессе затопления территории можно получить на основе геоморфологических характеристик речной долины. В настоящей работе характеристика геоморфологического строения поймы р. Оби с целью картографирования затоплений была дана на основе крупномасштабных цифровых моделей рельефа (ЦМР), а также материалов полевых исследований.
Для создания ЦМР долины Оби в пределах Шегарского района Томской области были использованы 13 листов топографической карты масштаба 1 : 25 000. Привязка растров топографической карты осуществлялась на основе регулярной сетки координат в проекции Гаусса–Крюгера (эллипсоид Красовского) с помощью программного комплекса Easy Trace 8.65 (EasyTrace Group). Далее в Easy Trace были проведены операции бинаризации и чистки растров. Векторизация горизонталей проводилась в полуавтоматическом режиме, а высотных отметок и гидросети – в ручном. Полученные векторные примитивы (точки, линии, полигоны) были экспортированы в шейп-файлы и в дальнейшем преобразованы в классы пространственных объектов базы геоданных ArcGIS (ESRI Inc.). Это было сделано для соблюдения топологической корректности данных, так как формат шейп-файлов не поддерживает топологию. ЦМР создавалась с помощью модуля ArcGIS 3D Analyst (ESRI Inc.) методом триангуляции Делоне. При этом в качестве исходных данных использовались оцифрованные горизонтали (всего 941 линия) и высотные отметки, включая урезы воды (всего 989 точек). В качестве дополнительных данных использовались полигональные и линейные объекты гидросети (всего 220 линий и 103 полигона), а также контуры озёр с известным урезом воды (всего 61). Горизонтали использовались при расчёте ЦМР как линии неявного перегиба рельефа, объекты гидросети – как линии явного перегиба рельефа (рёбра треугольников), а полигоны озёр с известным урезом воды – как плоские поверхности замещения одной высотой, согласно методике, описанной ранее.
Для цифрового моделирования пойменного рельефа вблизи населённых пунктов использовались материалы съёмок ЗАО «Томскгипрозем» с БВС самолётного типа «Геоскан 201», оборудованного бортовым приемником глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) Topcon B 110. Съёмки проводились с пространственным разрешением 0,04–0,05 м/пикс. Плановым и высотным обоснованием для аэрофотосъемки послужили пункты государственной геодезической сети (ГГС) и референц-станция ГНСС г. Томск. С применением ГНСС оборудования Trimble 5700 были созданы базовые станции для привязки аэрофотоснимков. Обработка и уравнивание ГНСС-измерений от пунктов ГГС и референц-станции г. Томска выполнялись в программном обеспечении (ПО) Topcon Tools, результаты уравнивания не превысили по среднеквадратичному отклонению 0,1 м. В процессе аэрофотосъемки определение позиций снимков происходило по бортовому ГНСС-приемнику БВС Topcon B 110. После завершения процесса аэрофотосъёмки данные с приемника скачивались и поступали в обработку. Обработка материалов аэрофотосъемки выполнялась в ПО Agisoft Metashape (Geoscan) по следующим этапам:
- совмещение снимков по меньшему числу точек (накидной монтаж);
- выравнивание положения камер;
- построение плотного облака точек;
- классификация плотного облака точек;
- построение карты высот по классу «земля»;
- построение ортофотоплана по полученной карте высот;
- экспорт ортофотоплана в формате GeoTIFF;
- экспорт карты высот (ЦММ) в формате GeoTIFF.
В результате фотограмметрической обработки материалов аэрофотосъемки с помощью Agisoft Metashape были созданы цифровые модели местности (ЦММ) с разрешением 0,15–0,5 м. Для получения гидрологически корректной матрицы высот из ЦММ была проведена маскировка домов и лесных массивов на ортофотопланах с использованием инструментов ArcGIS «Con», «Растровый домен», «Append». Ортофотопланы были также использованы для векторизации гидрографических объектов. Сотрудниками кафедры гидрологии ТГУ были разработаны алгоритмы расчета максимальных уровней воды разной процентной обеспеченности в населенных пунктах как с гидропостами, так и без них. Определение зон затопления для каждого населенного пункта основывалось на гидрологических расчетах и ЦМР, полученных в результате съёмок с БВС. Такой подход позволяет очень точно определить границы затапливаемой области, а небольшой размер исследуемых территорий (несколько квадратных километров) и равнинный характер реки позволяют пренебречь падением уровня воды в продольном профиле русла. Для более протяженных участков речных долин необходимо получение цифровой модели относительных высот от уреза воды, что, например, возможно при работе с модулем Vertical Distance to Channel Network в открытом ПО SAGA.
Результаты
Построенная ЦМР всей поймы Оби в пределах Шегарского района Томской области являет собой нерегулярную триангуляционную сеть (модель TIN) из более чем 187 тыс. треугольников. На основе ЦМР в ArcGIS была построена серия тематических карт важнейших морфометрических показателей: гипсометрическая карта (рис. 5), карты крутизны склонов и экспозиций. В ArcScene ArcGIS (ESRI Inc.) была построена трёхмерная модель долины с наложенными домами населённых пунктов (рис. 6).
Рис. 5. Гипсометрическая карта (фрагмент) долины р. Оби в южной части Томской области
Рис. 6. Трёхмерная модель (фрагмент) долины р. Оби в южной части Томской области
С учётом полученной детальной информации об абсолютных высотах, материалов полевых исследований и геоморфологического районирования поймы была составлена карта пойменных разновидностей р. Оби в Шегарском районе Томской области (рис. 7). Проведенный крупномасштабный гидролого-геоморфологический анализ поймы лёг в основу картографирования зон затопления территории при максимальных уровнях воды разной обеспеченности. При этом для картографирования зон затопления в пределах населённых пунктов использовались высокодетальные ЦММ и ЦМР, полученные в результате фотограмметрической обработки материалов съёмок с БВС (см. рис. 8).
Рис. 7. Карта разновидностей пойм р. Оби в южной части Томской области
Рис. 8. Цифровые модели местности прибрежных территорий реки Обь, построенные на основе съемки с БВС
Построение границ зон затопления производилось с помощью функциональных возможностей модулей ArcGIS Spatial Analyst и 3D Analyst (ESRI Inc.). Для каждого участка были выделены шесть зон затопления, обозначенные в виде линейных объектов в соответствии с расчетным уровнем половодья, при помощи команды ArcToolBox «Поверхность → Изолинии по значениям». Далее происходила трансформация линейных объектов в полигональные при помощи команды ArcToolBox «Управление данными → Пространственные объекты → Линию в полигон». Использовались также инструменты генерализации ArcGIS.
Для картографирования зон затоплений были выбраны характерные уровни воды 1-, 3-, 5-, 10-, 25- и 50 %-й обеспеченности, что соответствует затоплению территории один раз в 100 лет, в 33 года, в 20 лет, в 10 лет, в 4 года, в 2 года соответственно. Для населенных пунктов исследуемого района использовались максимальные уровни воды разной обеспеченности, рассчитанные сотрудниками кафедры гидрологии ТГУ с помощью ПО «HYDROCALK» «ГИДРОРАСЧЕТЫ» (Государственный гидрологический институт).
Согласно графику (см. рис. 9), выход воды на участки притеррасной поймы возможен при подъеме уровня до/свыше 590 см и при расходе воды 4 520 м3/с (средний по водности год). Полное затопление поймы вероятно при подъеме уровня воды до/свыше 800 см относительно «0» поста. Чередование пиков и спадов кривых на графике обусловлено 2–3 слабовыраженными волнами половодья. При этом согласно расчетным показателям обеспеченности затопления, вероятность уровня затопления центральной поймы (74 м – на левобережье и 75,5 м – на правобережье) составляет 50 %, следовательно, каждые 2 года происходит погружение под воду замкнутых депрессий и ложбин с застоем воды. Вследствие этого образование пойменных озер, формирование новых и оживление старых проток приводят к наложению прируслового режима на центрально-пойменные и притеррасные участки, а также к дальнейшему заболачиванию местности.
Рис. 9. Уровни воды в р. Оби по гидропосту пос. Победа (Шегарский район) и их соотношение с высотными уровнями поймы
Связь особенностей пойменного рельефа и характера затоплений проявляется в поёмности территории, т.е. в затоплении ее водой в половодье. Для пойм крупных рек характерно наличие нескольких поверхностей разного уровня, которые по отношению к урезу реки называются «высотными уровнями поёмности». В пойме р. Оби, в границах исследуемого района выделены четыре высотных уровня поёмности. Исключительно долгопоёмный высотный уровень охватывает наиболее низкие участки поймы, и продолжительность их затопления достигает от 65 до 75 дней. К долгопоёмному высотному уровню принадлежат в основном низкие прирусловые валы и гривы, а также присклоновые низины, продолжительность затопления которых варьирует от 40 до 65 дней. Среднепоёмный высотный уровень занимает средневысотные прирусловые валы и гривы центральной поймы, и продолжительность затопления данной поверхности составляет в среднем 20–35 дней. К краткопоёмному высотному уровню относятся высокие гривы центральной поймы. В соответствии с этими уровнями на территории изучаемого участка более детально выделены элементы рельефа по длительности и высоте затопления (Таблица 1).
Таблица 1. Элементы рельефа поймы, длительность и высота их затопления
| Морфологический элемент | Процесс рельефообразования | Абсолютные высоты, м | Высота затопления, м | Длительность затопления, дней |
| Прирусловая пойма | ||||
| Песчаные отмели с пионерной растительностью Низкие песчаные гривы Средневысотные песчаные гривы |
Аккумулятивный | 72,5–75 | 5 — 1–2 |
65–75 40–65 20–25 |
| Наложенная прирусловая пойма | ||||
| Песчаные валы | Аккумулятивный, эрозионный | 75–77 | — | 40–65 |
| Центральная гривистая пойма | ||||
| Средневысотные гривы Межгривные понижения и приозерные низины Плосковершинные гривы |
Аккумулятивный, эрозионный | 75–77,5 | 1–2 3–5 1–2 |
20–35 40–65 20–25 |
| Центральная выровненная пойма | ||||
| Выровненная поверхность | Аккумулятивный | 75–77,5 | — | — |
| Притеррасная пойма | ||||
| Выровненная заболоченная поверхность с кочками и мелкими ложбинами | Болотообразование, торфонакопление | 74,5–80 | — | — |
Воздействие поёмности на поверхность поймы зависит от высоты и длительности половодья. Часто высокое, но кратковременное половодье может принести изменения более существенные, чем низкое и растянутое. Такая особенность касается в первую очередь русловых деформаций, которые в период половодья во многом зависят от соотношения скоростей и направления руслового и пойменного потока. На пике половодья поток производит наибольшую руслоформирующую работу.
Для оценки опасности затопления жилых домов в населённых пунктах при максимальных уровнях воды разной обеспеченности использовались общедоступные цифровые карты с адресами домов (OSM, Яндекс Карты), которые были наложены на ортофотопланы с изолиниями зон затопления. Результаты такой оценки для населенных пунктов исследуемого района приведены ниже.
Деревня Оськино расположена на правом берегу р. Обь в 2 724 км от устья Оби на склоне первой надпойменной террасы. Деревня вытянута вдоль берега почти на полтора километра. Терраса полого опускается к реке. Вдоль берега протягивается неширокий песчаный пляж. Склон террасы довольно крутой вблизи берега, далее постепенно выполаживается, на протяжении полукилометра амплитуда высот составляет 10 м. На юге склон более пологий. Урез воды 72,5 м на 18.09.2018. Максимальные рассчитанные уровни воды при 1-, 3-, 5-, 10-, 25-, 50 %-й обеспеченности составляют, соответственно, 78,09; 77,57; 77,33; 76,91; 76,27 и 75,56 м. Песчаный пляж затапливается почти ежегодно, на остальной территории деревни затопление отсутствует. Домов и постоянного населения в пределах территорий, затапливаемых при максимальных уровнях воды 50-, 25-, 10-, 5-, 3-, 1 %-й обеспеченности, в деревне Оськино нет. При этом в зоны затопления при максимальных уровнях воды 25-, 10-, 5-, 3-, 1 %-й обеспеченности попадают садовые участки, расположенные к югу от д. Оськино вдоль улиц Береговая и Еловая (рис. 10).
Рис. 10. Карта зон затопления д. Оськино при максимальных уровнях воды разной обеспеченности
Посёлок Победа расположен на правом берегу Оби в 2 722 км от устья Оби на первой надпойменной террасе. Посёлок довольно большой, протягивается вдоль Оби на 2 км севернее моста через Обь. Рельеф слабо волнистый, терраса полого опускается в сторону реки. Береговой уступ выражен отчётливо, высота его не более 5 м. На южной окраине посёлка протягивается неглубокая балка с пологими склонами. На востоке за посёлком на месте бывшего карьера располагается довольно большой пруд. Урез воды 72,3 м на 18.09.2018. Максимальные рассчитанные уровни воды при 1-, 3-, 5-, 10-, 25-, 50 %-й обеспеченности составляют, соответственно, 77,92; 77,4; 77,16; 76,74; 76,1 и 75,39 м. Вдоль берега простирается узкая полоса ежегодно затапливаемого песчаного пляжа. Домов и постоянного населения в пределах территорий, затапливаемых при максимальных уровнях воды 50-, 25-, 10-, 5 %-й обеспеченности, в пос. Победа нет (рис. 11). При максимальных уровнях воды 3 %-й обеспеченности граница зоны затопления затрагивает несколько домов на ул. Коммунистической и ул. Набережной в северной части посёлка. При максимальных уровнях воды 1 %-й обеспеченности граница зоны затопления затрагивает также дома на ул. Октябрьской, а также садовые участки по ул. Коммунистическая в северной части посёлка.
Рис. 11. 3D-модель пос. Победа в районе моста через р. Обь (уровень воды при 50 %-й обеспеченности)
Деревня Старая Шегарка располагается на левом берегу р. Обь в 2 720 км от устья Оби при впадении протоки Старая Обь в реку Обь. Рельеф территории гривисто-ложбинный на юге и крайнем севере, в центральной части пологоволнистый с неглубокими округлыми западинами. Обской берег интенсивно подмывается, образуя обрывы высотой до 6 м. Уступ к протоке старая Обь также довольно крутой, но не подвержен размыву. Урез воды 72,0 м на 18.09.2018. Максимальные рассчитанные уровни воды при 1-, 3-, 5-, 10-, 25-, 50 %-й обеспеченности составляют, соответственно, 77,7; 77,18; 76,94; 76,52; 75,88 и 75,17 м. Территория деревни находится в пойме Оби, поэтому при сильных половодьях затапливается полностью. Лишь при максимальных уровнях воды 50 %-й обеспеченности граница зоны затопления не затрагивает жилые дома. Однако уже при максимальных уровнях воды 25 %-й обеспеченности граница зоны затопления захватывает несколько домов на ул. Зелёной, Набережной и Садовой (рис. 12). При максимальных уровнях воды 10 %-й обеспеченности граница зоны затопления включает также дом на ул. Трактовой. При максимальных уровнях воды 5-, 3-, 1 %-й обеспеченности зона затопления охватывает всю деревню.
Рис. 12. Карта зон затопления д. Старая Шегарка при максимальном уровне воды 25 % обеспеченности
Заключение
Полученные результаты позволяют сделать вывод, что благодаря применению крупномасштабных цифровых моделей рельефа существенно улучшается качество картографирования прогнозируемых зон затопления при наводнениях относительно традиционных подходов, основанных на применении открытых ЦМР низкого пространственного разрешения (например, SRTM). Проведенное исследование показало, что использование высокоточных данных с БВС и крупномасштабное моделирование рельефа на основе аэросъемки помогли повысить точность прогнозного картографирования зон затопления. Описанный в статье подход возможно использовать при прогнозном картографировании зон затопления в пределах небольших по площади территорий (несколько квадратных километров) в поймах равнинных рек с небольшим уклоном. В случае моделирования более протяженных участков необходимо получить цифровую модель относительных высот от уреза воды, что, например, возможно при работе с ПО SAGA.
Комплексный подход использования современных технологий в области дистанционного зондирования и геоинформационных систем, данных натурных наблюдений и фундаментальных знаний о процессах и явлениях позволяет обрести для исследований все необходимые составляющие – визуальную, аналитическую и прогнозную. Внедрение подобного подхода в практические задачи позволяет сделать жизнь людей безопаснее и минимизировать материальные потери в период наводнения.
Результаты картографирования в настоящее время размещены на Геопортале Томской области, что позволяет снизить угрозу жизни людей и материальным ценностям в период половодья. В продолжение данного исследования создается база геоданных по жителям домов, попадающих в зоны затопления, в населенных пунктах исследуемого района.
Ссылки на источники, используемые в статье, были удалены. Библиография доступна в оригинальной публикации.
Авторы статьи: А.А. Чекина, В.В. Хромых (Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия).
Опубликовано в журнале «Геосферные исследования», 2023, № 2, с. 123–141.