Продовжимо розмову про рельєф та важливість його ЦМР-оцінки. Найпростіші характеристики рельєфу — ухил та експозиція — були нами розглянуті раніше (пости «Про рельеф» та «Прикладне використання ЦМР для аграріїв»). Сьогодні поговоримо про більш складний аналіз ЦМР та практичне застосування його результатів.
Але спочатку, для повного усвідомлення важливості питання, нам треба зануритися в захопливий світ геоморфології 
Рельєф є потужним регулятором поверхневого стоку, тобто тієї частини атмосферних опадів, які під дією сили тяжіння стікають по земній поверхні. Для сільського господарства України, з огляду на її фізико-географічні особливості, питання оцінки та врегулювання поверхневого стоку є справою якщо й не життя та смерті, то принаймні питанням на 10 млрд у.о. Саме таку суму, згідно з оцінкою експертів, ми втрачаємо щорічно унаслідок процесів водної ерозії. Є і другий фінансово неоцінений аспект — врегулювання поверхневого стоку та затримка вологи на полях дозволить значно підвищити врожаї. Адже саме нестача вологи є одним з основних лімітуючих факторів нашого агровиробництва.
З’ясуємо декілька термінів, які є дуже важливими під час структурного аналізу рельєфу.
Гідрографічна мережа — це мережа знижень, за якими здійснюється поверхневий стік. На топографічній карті або космічному знімку ця мережа має вигляд розгалуженого дерева або ж, говорячи науковою мовою, дендровидну структуру (рис. 1).
Рис. 1. «Дерева» гідрографічної мережи на космічному знімку (джерело знімку: Google Earth/Landsat)
Цікаво, що серед усіх планет Сонячної системи такий упорядкований деревоподібний рисунок властивий лише для Землі та Марса (рис. 2). До речі, свого часу фотографічна фіксація цього факту викликала низку гіпотез щодо подібності земних та марсіанських умов рельєфоутворення і стала одним з основних доказів того, що на червоній планеті може ісувати вода, а відповідно й життя.
Рис. 2. Яри на Марсі (фото: NASA)
Верхня частина гідрографічної мережі, яка позбавлена постійних водотоків, називається суходільною. До елементів суходільної мережі відносять улоговини, лощини й балки.
Улоговина стоку — горішня ланка гідрографічної мережі, яка характеризується невеликою глибиною (0,5–2 м) та пологими схилами (до 3°). Доволі часто її навіть важко помітити на місцевості та виділити на карті.
Рис. 3. Улоговина
Улоговина поступово переходить у лощину, яка вже чітко виділяється в рельєфі й має виражені схили та дно. Лощина може мати глибину до 5–8 м, а крутизна її схилів може сягати 10°.
Рис. 4. Лощина
У свою чергу лощина переходить у балку, лінійну форму рельєфу з чітко вираженими бровками — лініями перегину схилу, нижче яких він стає більш крутим. Балка характеризується значною глибиною до 20 м і крутизною схилів до 30–40°.
Рис. 5. Балка
Балки впадають у річкові долини, напевно, найбільш знайомі нашим читачам форми рельєфу :), адже вони обов’язково пов’язані з такими чудовими природними об’єктами як річки.
Рис. 6. Долина річки
Найнижчими точкам днищ усіх перелічених елементів гідрографічної мережі проходить умовна лінія, яку називають тальвегом (рис. 7).
 |
Рис. 7. Структурні лінії рельєфу. Порівняння фрагменту топографічної карти (а) та космічного знімку тієї ж місцевості (б)
Наочно її можна виділити за руслом будь-якого постійного водотоку. У суходільній частині мережа тальвегів чудово проявляється під час сильного дощу, саме ними рухаються тимчасові водні потоки.
Об’єднану систему водотоків (гідрографічну мережу) можна вважати системою водопостачання/водовідведення території. Схильні до поезії географи називають її кровоносною системою ландшафту. Дійсно схожість між ними на рівні організації та функціонування дивує. Гідрографічна мережа, як і кровоносна система, має складну структуру та високий рівень самоорганізації, що дозволяє їй забезпечувати дренаж значних територій без кризових проявів. Дослідження доводять, що навіть на невеликій площі важко спроектувати аналогічну штучну систему, яка б одразу «вписалась» у наявний рельєф без порушень його рівноваги.
Саме з тальвегами насамперед пов’язують прояви лінійної водної ерозії — яри. Інтуїтивно здається, що й боротьбі з ними має приділятися найбільша увага — засипати, вирівняти, знешкодити… Дійсно, у разі дуже великих витратах такий підхід спрацьовує, але відомо багато сумних прикладів, коли поруч зі знищеним яром через декілька років виникав новий.
У чому причина? У несистемному підході до оцінки рельєфу. Тальвег, а точніше ерозійна форма рельєфу, до якой він відноситься, – це лише прояв природного механізму оптимального водовідведення, а боротись із проявом без знешкодження причин безперспективно. Як і у випадку з кровоносною системою втручання людини в гідрографічну мережу має бути дуже обережним і таким, що ґрунтується на всебічному аналізі всіх ландшафтних умов. Іноді легкого «інформаційного» втручання достатньо для того, щоб зупинити зростання яру, а іноді складні та витратні, але не продумані заходи, викликають небажані відгуки у віддалених і, здавалося б, зовсім не пов’язаних із місцем подій теренах.
Виникнення та функціонування кожного водотоку визначається його навколишнім рельєфом і насамперед площею, з якої до нього надходить поверхневий стік. Цю територію називають водозбірним басейном або просто водозбором.
За аналогією з живою природою можна сказати, що це кормова зона водотока-тальвега. І на цьому біологічні асоціації не закінчуються. У «світі рельєфу», наприклад, також існує конкуренція за просторовий ресурс, яка може призвести до перехвату однією річкою стоку сусідньої річки.
Зрозуміло, що чим більше річка, тим більша площа водозбору їй потрібна. Наприклад Дніпро «живиться» з території площею 504 000 км², а формування невеликої лощини може обумовлюватися декількома десятками гектарів. При цьому загальний водозбір Дніпра, на кшталт відомої матрьошки, ієрархічно вміщує в себе водозбори приток та більш дрібних елементів мережі.
Чітким правилом організації гідрографічної мережі є: «Проміж двох тальвегів завжди розташовується вододіл».
Вододіл — лінія, що розділяє територію на протилежно орієнтовані схили та відповідно «спрямовує» поверхневий стік у два протилежні напрямки (рис. 6). Замикаючись, вододіли формують межі водозбірного басейну.
Тальвеги та вододіли називають структурними, або скелетними лініями рельєфу, підкреслюючи їхню важливість у будові останнього.
Традиційно виділення цих ліній (або ж побудова орографічної схеми) виконується по звичайній топографічні карті. При цьому орієнтуються на точки максимальних перегинів горизонталей. Саме за ними, з урахуванням напряму схилу, слід проводити структурні лінії. Процедура нескладна при певній навичці, але належить до тих, які краще показати, ніж описати :).
Але незважаючи на нескладність, ручне викреслювання має безумовні мінуси:
помилки під час визначення верхніх ланок ерозійної мережі, які нечітко проявляються на карті;
суб’єктивізм, особливо помітний під час виділення ліній вододілів, які не мають на карті такої чітко вираженої структури, як тальвеги.
За умов великих обсягів роботи та нечіткого рельєфу ці недоліки можуть призвести до сумних наслідків. Подивимось на типовий рельєф надзаплавної тераси Дніпра (рис. 8). Виділити на цій карті структурні лінії буде важко навіть професіоналу. Чим не привід скористатися можливостями ГІС?
Крім того, ми не розглянули ще дуже важливе питання кількісних обчислень. Наприклад, визначення площі водозбору або довжини тальвегу є хоча і простою, але дуже кропіткою роботою. Звісно, що застосування ЦМР та специфічних видів її аналізу дозволить виконувати всі кількісні обрахунки швидко та точно.
Рис. 8. Рельєф лівобережного ландшафту. Фрагмент топографічної карти
 |
 |
Рис. 9. а) ЦМР території, що показана на рис. 8, та б) визначена по ній мережа тальвегів
Можливість гідрологічного аналізу території в тому чи іншому ступені закладена в багатьох ГІС, як у відомих пропрієтарних ArcGIS, Idrisi, TNTmips так і, що дуже приємно, у багатьох вільних — GRASS, ILWIS, SAGA та ін.
Першим кроком, такого аналізу є встановлення напрямку стоку з кожної чарунки ЦМР, для чого її абсолютну висоту порівнюють із висотою 8 сусідніх чарунок. Цей метод, що має назву D8, був запропонований О’Каллаганом і Марком (1984) (O’Callaghan and Mark). Якщо піксель із найменшим значенням висоти знаходиться на північному сході (праворуч по діагоналі) від центрального пікселя, останньому надається значення 1. Якщо найнижчу висоту має піксель, що розташований на сході, центральному пікселю надається атрибут 2, на півдні — 8, на заході — 32. і т. д. (рис. 10).
Рис. 10. Метод D8
Результатом його застосування буде растр, забарвлення кожного пікселя якого показує напрямок руху води з ділянки, що він презентує.
 |
 |
Рис. 11. ЦМР (а) та растр (б) напрямків стоку
Наступним кроком бажано перевірити модель на наявність безстічних зон — ділянок, у яких значення висот менші за висоти меж водозбору. Часто такі зони є проявом некоректних первинних даних, але можуть характеризувати і природні явища: степні блюдця або ж карстові вирви.Якщо таких об’єктів на досліджуваній території немає, то для виправлення помилок виконується заповнення безстічних зон до значення мінімальної висоти межі водозбірного басейну, до якого ці зони належать.
Визначення водозбірних басейнів виконується також по растру напрямків стоку (рис. 11). Після заповнення зон депресій проводиться перевірка одержаного растру й, за необхідності, його повторне корегування.
Рис. 12. Принцип виділення меж водозбірних басейнів
Рис. 13. Растр водозбірних басейнів
Далі, за скорегованим растром напрямків стоку, відбувається побудова растру, що характеризує акумуляцію стоку. Значення кожного пікселя цього растру дорівнює кількості пікселів, які розташовані вище за схилом та стік із яких спрямовується в нього.
Рис. 14. Растр акумуляції стоку
Саме растр акумуляції стоку є базою для подальшого векторного виділення системи тальвегів території, що досліджується.
Рис. 15. Схема тальвегів та вододілів
На рисунку 15 представлений результат повного циклу структурного аналізу рельєфу, що був виконаний у програмі TNTgis. Блакитним кольором показані лінії тальвегів, жовтим — межі водозборів. Детальність структури рельєфу може бути змінена в налаштуваннях програми.
Але ж де й кому може знадобиться така інформація? Відповідаючи стисло — всім, хто працює з рельєфом та водними потоками. Звісно, це науковці, які вирішують різноманітні теоретичні питання, це інженери-землевпорядники, які проектують екологічно стійкі агроландшафти, це можуть бути і просто «просунуті» фермери, яким не байдуже, що відбувається на їхніх землях.
Результати структурного аналізу рельєфу дозволяють планувати протиерозійний захист території, покращувати мікроклімат ландшафту, боротися з забрудненням водойм, підвищувати врожаї й ще багато чого іншого.
