Рельеф является одним из главных факторов, обуславливающих ландшафтную дифференциацию территории. При изучении рельефа, как и при других физико-географических исследованиях, междисциплинарный подход, связанный с анализом межкомпонентных связей во всей географической оболочке и отдельных геосистемах и ландшафтах, является особенно продуктивным. Использование количественных морфометрических показателей и современных ГИС-технологий позволяет выполнять подобные исследования на качественно ином уровне.

Поэтому целью исследования является морфометрический анализ территории на ландшафтно-геологической основе (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор) с помощью ГИС.

Наиболее универсальными показателями рельефа являются морфометрические (относительные превышения, углы наклона, линейные размеры форм рельефа (ширина, длина) или их элементов). Однако, получение количественной информации о рельефе и построение тематических морфометрических карт традиционными «ручными» методами на большие территории сопряжено с высокой трудоемкостью. Поэтому, в настоящее время, широко используют электронное представление рельефа, который в контексте географических информационных систем (ГИС) представлен цифровыми моделями рельефа (ЦМР). Широкие возможности ГИС позволяют использовать ЦМР для расчета и анализа комплекса морфометрических показателей для решения различных целей, как, например, это выполнено в [1, 2].

Для анализа была выбрана часть бассейны рек Качи и Альмы в пределах Главной гряды и Внутреннего межгорного понижения Крымских гор. Данная территория располагается в пределах 3 ландшафтных зон (по Г. Е. Гришанкову (1999), рисунок 1): предгорной зоны лесостепи с дубовыми лесами (местности 50-55); среднегорной зоны смешанных широколиственных лесов (группы местностей 57-76); среднегорной зоны горных лугов и горной лесостепи (группы местностей 77-85) [3, 4]. В геологическом отношении территория относится к молодому геологическому образованию Горно-Крымского складчатого (складчато-надвигового) сооружения. В основании Крымских гор (первый структурный этаж) залегают отложения так называемой Таврической серии (Т₃-J₁), выходящие на поверхность в центральной части исследуемой территории. Второй структурный этаж гор образуют отложения верхней юры, слагающие яйлинские массивы Главной гряды. Северные куэстовые предгорья сложены моноклинально залегающими отложениями мела-неогена [5].

В качестве исходного материала цифрового моделирования использованы данные спутниковой съемки SRTM (Shuttle radar topographic mission), выполненной с борта американского челнока «Shuttlе» в феврале 2000 г. Матрица SRTM имеет ошибку, которая в среднем составляет для равнинной территории 2,9 м и 5,4 м для холмистой местности; по своей точности она примерно соответствует матрице, полученной с карты масштаба 1 : 100 000. Обработка данных снимка велась с помощью программного комплекса АrcGIS 10.0.

Для решения поставленной цели были отработаны методики расчета следующих морфометрических показателей:

1 – средняя высота пространственных выделов;

2 – горизонтальное расчленение, наиболее простой способ расчета которого сводится к определению длины эрозионной сети L на единицу площади Р [6];

3 – вертикальное расчленение, рассчитываемое как амплитуда высот в принятых пространственных выделах [7];

4 – крутизна склонов; показателями крутизны могут служить угол наклона (а) и отвлеченная величина – уклон (i, равный tg a).

Расчет всех морфометрических показателей выполнялся для ландшафтных и геологических выделов, представленных на рисунке 1.

Для расчета средней высоты, средней крутизны, вертикальной расчлененности использовалась функция Зональная статистика модуля Spatial Analyst, позволившая получить для каждого выдела конкретные значения показателей, представленные в виде отдельного растрового слоя. Для расчета горизонтального расчленения был использован комплекс инструментов Гидрология модуля Spatial Analyst, который позволяет восстановить все звенья гидрологической и овражно-балочной сети различных порядков.

Возможность использования этого инструментария, с определением необходимых параметров, были изучена на примере двух ключевых бассейнов – реки Стиля (левый приток Качи) и балки Алпалых-Дере (бассейн Бельбека). В качестве исходных данных для получения ЦМР использована топографическая карта масштаба 1:50000. Выделение эрозионной сети на ее основе проводилось в следующей последовательности (рисунок 2). С помощью функции Fill гидрологического моделирования были заполнены некорректные понижения рельефа. Применяя функцию FlowDirection, классифицированы направления стока по румбам, а с помощью функции FlowAccumulation на основании уклона поверхности построен грид суммарного стока. Для идентификации ячеек водотока необходимо подобрать значения суммарного стока, обозначающие переход плоскостного стока в линейный. Сравнивая значение суммарного стока с топографической картой, с помощью функции Калькулятор растра подобрано его количественное значение (25), которое в дальнейшем использовано для всей анализируемой территории. С помощью инструмента StreamOrder определен порядок водотоков – на ключевых бассейнах определены водотоки пяти порядков. Используя инструмент StreamToFeature, получена окончательная сеть водотоков в виде полилиний.

Рисунок  1 – Ландшафты (А) и геологическое строение (Б) исследуемой территории [5, 8].

Условные обозначения к рисунку 1.

 А. Предгорная зона аккумулятивных, останцово-денудационных и структурных денудационных равнин и куэстовых возвышенностей с разнотравными степями, кустарниковыми зарослями, лесостепью и низкорослыми дубовыми лесами. Пояс лесостепи на денудационно-останцовых, структурных денудационных и аккумулятивных равнинах, куэстовых возвышенностях. Группа местностей (окоемы): 50 – денудационно-останцовые овражно-балочные равнины с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк». Пояс дубовых лесов и кустарниковых зарослей на денудационно-останцовых и наклонных структурных денудационных равнинах и куэстовых возвышенностях. Группа местностей (окоемы): 52 – низкогорно-куэстовые возвышенности с дубовыми лесами и кустарниковыми зарослями типа «дубки»; 54 – низкогорные куэстовые сильно расчлененные возвышенности с дубовыми лесами; 55 – денудационно-останцовые овражно-балочные равнины с дубовыми лесами и кустарниковыми зарослями типа «дубки». Среднегорная зона северного макросклона гор, буковых, смешанных широколиственных лесов. Пояс котловин и эрозионного низкогорья, дубовых, смешанных широколиственных и сосновых лесов. Группа местностей (окоемы): 59 – эрозионное овражно-балочное низкогорье с дубовыми и смешанными широколиственными лесами; 61 – эрозионное долинно-балочное низкогорье с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями; 62 – эрозионное овражно-балочное низкогорье с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями. Пояс среднегорно-склоновый, дубовых, можжевелово-дубовых и смешанных широколиственных лесов. Группа местностей (окоемы): 69 – среднегорно-склоновый, расчлененный долинами и балками со смешанными широколиственными и сосновыми лесами; 70 – среднегорно-склоновый, расчлененный долинами и балками с буково-грабовыми, дубовыми и смешанными широколиственными лесами. Пояс среднегорно-склоновый, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов. Группа местностей (окоемы): 73 – массивное среднегорье с грабово-буковыми и смешанными широколиственными лесами на склонах и лугово-парковой растительностью на плоских вершинах; 74 – среднегорно-склоновый слаборасчлененный с буковыми, смешанными широколиственными и сосновыми лесами. Среднегорная зона яйлинских плато, горных лугов и горной лесостепи. Пояс луговых и лугово-лесных плато. Группа местностей (окоемы): 82 – останцово-денудационные расчлененные плато с горными лугами и грабово-буковыми лесами; 84 – пологие седловины с горными лугами и участками грабово-буковых лесов; 85 – останцово-денудационные расчлененные плато с горными лугами.

Б. Палеогеновая система. Нижний и средний эоцен. Ярусы: 1 – бахчисарайский и симферопольский ярусы (P₂¹⁺²bch+sm), нумулитовые известняки, глины, мергели. Меловая система. Ярусы: 2 – сантонский, кампанский и маастрихтский ярусы (К₂st-m), мергели; 3 – сеноманский, туронский и коньякский ярусы (K₂cm-cn), мергели, известняки; 4 – альбский ярус (K₁al₃), верхний подъярус, песчаники, глины, известняки, туфы, туфопесчаники; 5 – барремский ярус, верхний подъярус и аптский ярус (K₁b₂+ap), глины с сидеритами; 6 – готеривский ярус, врехний подъярус и барремский ярус, нижний подъярус (K₁h₂+b₁), известняки, песчаники, глины, конгломераты; 7 – валанжинский-готеривский ярусы (K₁v-h), глины, известняки, мергели, песчаники, конгломераты. Юрская система. Ярусы: 8 – кимериджский ярус ( J₃km), тонкослоистые глинистые известняки; 9 – оксфордский ярус (J₃ox), конгломераты и песчаники; 10 – байосский-батский ярусы (J₂bj-bt), глины с сидеритами, песчано-глинистый флиш, песчаники; 11 – батский ярус (J₂bt), песчаники, конгломераты; 12 – байосский ярус (J₂), аргиллиты, песчаники, эффузивные породы; 13 – нижний отдел (J₁) песчаники, конгломераты, песчано-глинистый флиш. Триасовая система. 14 – триасовая система, верхний отдел и юрская система, нижний отдел (T₃+J₁), Таврическая серия; песчано-глинистый флиш, глины с сидеритами; 15 – верхний отдел (T₃), глины с сидеритами.

Рисунок 2 – Анализ сети водотоков для ключевых бассейнов с помощью функции Гидрология.

А – оцифрованная сеть горизонталей и высоты;  Б – цифровая модель рельефа на исследуемую территорию; В – грид кумулятивного стока ЦМР, обработанной функцией Fill; Г – классификация направлений стока по румбам; Д – грид суммарного стока; Е – суммарный сток, обозначающий переход плоскостного стока в линейный; Ж – идентификация водотоков; З – сеть водотоков на территорию ключевого участка; И – положение анализируемой территории: желтым цветом выделен эталонный участок, серым – исследуемые бассейны Качи и Альмы.

Описанный выше алгоритм определения водотоков был применен и для определения водотоков (эрозионной сети) бассейнов рек Качи и Альмы на основе цифровой модели рельефа SRTM, а затем – расчета горизонтального расчленения (рисунок 3). Для этого все водотоки были объединены в один объект, а затем разбиты на части в соответствии с ландшафтными и геологическими контурами. На основе вычисленных значений длины водотоков и площади каждого выдела с помощью Калькулятора поля рассчитано горизонтальное расчленение контуров. С помощью функций Извлечения, Пространственного соединения и Соединения данных все морфометрические записаны в таблицу атрибутивных данных ландшафтных и геологических контуров, и на основании этого построены итоговые карты (рисунки 4, 5).

Рисунок 3 – Цифровая модель рельефа SRTM (А) и сеть водотоков, полученных с помощью модуля Гидрология (Б), исследуемой территории.

Рисунок 4 – Средние значения морфометрических показателей для ландшафтных выделов: А – средняя высота (м); Б – горизонтальная расчлененность (км/км²); В – средняя крутизна (градусы); Г – вертикальная расчлененность (м).

Рисунок 5 – Средние значения морфометрических показателей для геологических выделов: А – средняя высота (м); Б – средняя крутизна (градусы); В – горизонтальная расчлененность (км/км²); Г – вертикальная расчлененность (м).

Анализ полученных карт свидетельствует, что отчетливо проявляется связь в изменении морфометрических показателей по ландшафтным окоемам (группам местностей) образующим высотным пояса: с приближением к Главной гряде отмечается увеличение средней высоты, средней крутизны склонов, горизонтальной и вертикальной расчлененности. Максимальные значения средней крутизны (более 15 градусов) характерны для пояса среднегорно-склоновых, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов. Минимальные (менее 9 градусов) – для денудационно-останцовых овражно-балочных равнин с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк», низкогорных куэстовых сильно расчлененных возвышенностей с дубовыми лесами, эрозионного овражно-балочного низкогорья с дубовыми лесами и лесокустарниковыми зарослями. Горизонтальная расчлененность наибольшая (2,4-2,7 км/км²) на массивном среднегорье с грабово-буковыми и смешанными широколиственными лесами на склонах и лугово-парковой растительностью на плоских вершинах, наименьшая (менее 0,3 км/км²) – на ландшафтном окоеме среднегорно-склоновом слаборасчлененном с буковыми, смешанными широколиственными и сосновыми лесами. Вертикальная расчлененность наибольшая в поясе среднегорно-склоновом, буковых, буково-грабовых, смешанных широколиственных лесов, наименьшая на денудационно-останцовых овражно-балочных равнинах с дубовыми лесами, кустарниковыми зарослями типа «дубки» и участками фриганоидных и разнотравно-луговых степей с колючекустарниковыми зарослями типа «шибляк».

Изменение морфометрических показателей в зависимости от геологического строения имеет более дифференцированный характер.  Наибольшие средние высоты (более 1000 м), средняя крутизна  склонов (18-20 градусов) характерна для территорий, сложенных известняками верхней юры (Главная гряда), мела и палеогена (куэсты и куэстоподобные гряды предгорья), наименьшие (средняя крутизна менее 6 градусов) – для области распространения пород Таврической серии. Горизонтальная расчлененность максимальная (более 2 км/км²)  характерна для песчаников, глин и известняков, минимальная (менее 1 км/км²) для мергелей и известняков. Максимальная вертикальная расчлененность наблюдается в области распространения пород Таврическая серии: песчано-глинистый флиша, глин с сидеритами.

Важнейшей закономерностью ландшафтов горных стран является их изменение от подножья к вершинам, которое проявляется в спектре и интенсивности процессов, характеристиках компонентов и т.д. Для анализа изменения рельефа территории с изменением абсолютной высоты выполнено сопоставление морфометрических показателей с высотными уровнями. Результаты представлены на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 – Значения морфометрических показателей для высотных уровней (А): Б – средняя крутизна (градусы); В – горизонтальная расчлененность (км/км²); Г – вертикальная расчлененность (м).

Рисунок 7 – Изменение значений морфометрических показателей по высотным уровням.

Как видно на рисунке 6 и 7, средняя крутизна плавно нарастает на каждом высотном уровне и изменяется от 5 до 20 градусов, что, в общем, соответствует крутизне склонов в пределах горных стран. Горизонтальная расчлененность уменьшается с набором высоты от 3,5 км/км² на высоте 200-300 м до 0 на высоте 1500-1600 м, при этом имеется небольшой максимум расчлененности на высотах 700-1100 м (1,5-1,75 км/км²). Такая закономерность связана как с геологическим строением (более прочные породы залегают гипсометрически ниже), так и с пространственными закономерностями развития эрозионной сети; увеличение горизонтального расчленения на высотах 700-1100 м определятся положением здесь верховий главных рек района и важнейших их верхних притоков. Вертикальная же расчлененность резко увеличивается (с 50 до 175 м) при наборе высоты от 0 до 300 метров, отражая переход от предгорного рельефа к непосредственно горному, а затем практически не изменяется на всех высотных уровнях.

Таким образом, ГИС-технологии позволяют выполнять комплексный морфометрический анализ территории в различных целях и по различным направлениям. Выполненный морфометрический анализ территории на ландшафтно-геологической основе (на примере северного макросклона Главной гряды Крымских гор) выявил связь морфометрических показателей рельефа, ландшафтной структуры и геологического строения территории, которая носит сложный характер. В общем, отмечается увеличение крутизны склонов и вертикального расчленения, уменьшение горизонтального расчленения с поднятием в горы.

1. Михайлов В. А. Комплексный морфометрический анализ Тарханкутского полуострова с помощью ГИС / В. А. Михайлов // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 2 [Электронный ресурс] – http://web.snauka.ru/issues/2015/02/46640 (дата обращения: 24.06.2015)
2. Погорелов А. В. Рельеф бассейна р. Кубани (морфологический анализ) / А.В. Погорелов, Ж. А. Думит – Краснодар: ГЕОС, 2009. – 220 с.
3. Современные ландшафты Крыма и сопредельных акваторий: Монография / Научный редактор Е. А. Позаченюк. – Симферополь: Бизнес-Информ, 2009. – 686 с.
4. Подгородецкий П. Д. Крым: Природа: Справ. изд. / П. Д. Подгородецкий. – Симферополь: Таврия, 1988. – 192 с.
5. Рычагов Г.И. Общая геоморфология: учебник. / Г. И.  Рычагов. – 3-е изд., перераб. и доп.– М.: Изд-во Моск. ун-та: Наука, 2006. – 416 с.
6. Гришанков Г.Е. Ландшафтная карта Крыма. / Г. Е. Гришанков // В кн. Выработка приоритетов: новый подход к сохранения биоразнообразия в Крыму. – Вашингтон (США): BSP, 1999. – 257 c.
7. Спиридонов А.И. Основы общей методики полевых геоморфологических исследований и геоморфологического картографирования / А. И. Спиридонов – М.: Высшая школа, 1970. – 457 с.
8. Геологическая карта СССР. – Масштаб 1:200000. Серия Крымская. – L-36-XXXIV, L-36-XXXV, L-36-XXXVIII, L-36-XXVIX. /Ред. М.В. Муратов. – 1973.

Все статьи автора «Бондаренко Мария Анатольевна»