ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.09.2020
Просмотров: 5825
Скачиваний: 9
Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)
310
в 2011 г. опробования дождевых вод и снега (рН = 3,7-5,9) подтвердили ранее сделанный вывод, при этом к
«реперным» элементам добавился Cd, велика вероятность трансграничного участия Cr, Ni и
I
(табл. 2). Данные по
химическому составу аэрозольных выпадений, полученных с помощью экспериментально созданного прибора
(пробоотборник аспирационный полевой аэрозольный) в настоящее время находятся в обработке.
Таблица 2
Фоновые концентрации микроэлементов (мкг/л) в атмосферных осадках
бассейна Селигера и на ЕТР [6]
Fe
Mn
Cu
Ni
Zn
Co
Pb
Cd
Cr
I
Ba Hg
дождевая вода
33,8
2,90
0,15
0,21 13,65 0,02
0,25
1,74
3,1
0,23 0,67 0,06
снеговая вода
42,1 11,03
1,16
0,48 12,92 0,04
0,17
0,08
1,33 6,43 1,23
0,1
фон атм.осадков ЕТР
1,6-5,2
1,1-7,7 <0,25
1,1
Значительное содержание Zn, Cd и Cr в атмосферных осадках связано с большим количеством их
антропогенных источников. В то же время высокая удерживающая способность почв и растительности к
ним приводит к тому, что большая часть этих элементов не поступает в водные объекты, а задерживается на
водосборной территории.
Таким образом, на основе сопряженного анализа микроэлементного состава почв, донных отложений,
растительности, поверхностных и грунтовых вод, а также проб атмосферных осадков (дождя и снега) получена
комплексная геохимическая характеристика фоновых ландшафтов бассейна Селигера. Эти данные могут быть
использованы при оценке интенсивности загрязнения ландшафтов верховья р. Волги, а также при проведении
экологического мониторинга на оз. Селигер.
Литература
1. Структура и функционирование геосистемы озера Селигер в современных условиях. СПб.: Наука.
2004. 253 с.
2. Кудерина Т.М., Шилькрот Г.С. Мониторинг состояния озера Селигер в новых условиях
природопользования / Теория и практика восстановления внутренних водоемов. Сб. тр. Междун.
науч-практ. конф., 15-18 окт. 2007 г. СПб.: ЛЕМА. 2007. С. 224-230.
3. Экологическая карта Осташковского района Тверской области. М-б 1:100 000 / Под ред. В.И.
Осипова, В.М. Чупахина. СПб.: Ин-т геоэкологии РАН. 2002.
4. Bowen H.J.M. Environmental Chemistry of The Elements. Academic Press. London-New-York-Toronto-
Sydney-San Francisco. 1979. 250 p.
5. Иванов В.В. Экологическая геохимия элементов: Справочник: в 6 кн. Кн. 1: s-элементы. М.:
Недра.1994. 304 с.
6. Обзор состояния и загрязнения окружающей среды в Российской Федерации за 2009 г. /http://
downloads.igce.ru/publications/reviews/review2010.pdf
УДК 631.434:528.8
ГЕОРАДАРНОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОЧВ И ПОРОД
В.В. Сысуев, Б.П. Шевченко
Географический факультет МГУ, Москва, e-mail: v.v.syss@mail.ru
Перспективность геоэлектромагнитных методов измерения структуры и свойств почв демонстрировалась
неоднократно [1, 2]. Тем не менее, георадарное подповерхностное зондирование, позволяющее с высокой
производительностью и пространственной непрерывностью исследовать структуру почв, применяется не
достаточно широко.
Исследования почв и отложений Валдайской возвышенности и вторично моренных ландшафтов
Смоленско-Московской возвышенности проведено с помощью георадара «ОКО-2» с антенными блоками
(АБ): «Тритон» с рабочими частотами 35-100 МГц для зондирования глубоких слоев и АБ двухчастотного
излучения 700 и 250 МГц для почвенных горизонтов и почвообразующих пород.
Зондирование в краевой зоне Валдайского оледенения осуществлялось с АБ «Тритон» вдоль
ландшафтных трансект с привязкой к абсолютным высотам и данным сплошной ленточной лесотаксационной
съемки. Предварительно в каждом ландшафте выявлялись оптимальные режимы зондирования.
На радарограмме небольшого переходного болота хорошо разделилась торфяная ванна и минеральное
дно болота, сложенное оглеенными озерными песками. Глубина торфяных слоев практически совпала с
данными буровых измерений и их описанием в разрезе. Низко бонитетные болотные сосняки не влияют на
качество радарограмм. В пределах болота границы фаций совпадают с границами резкого изменения глубины
торфа. В краевых частях болота с небольшой мощность торфа формируются осоково-пушицевые сообщества
с сабельником, сосновый древостой здесь наиболее высокий (15-18 м) и продуктивный (запасы 170-210 м³/
га). В центре массива с максимальной глубиной торфа (>3 м), преобладают фации со сфагново-пушицевой
растительность и редкостойным низко бонитетным сосняком (100 м³/га).
На большом верховом болоте «Обловское» с центрально-олиготрофным типом развития на радарограммах
по всему массиву болота отчетливо выделяются 2 горизонта торфа: верхний слабо разложившийся верховой
сфагновый торф мощностью 2-2,5 м.; и нижний сильно разложившийся торф. Также прослеживается тонкий
Доклады Всероссийской научной конференции
311
сапропелевый горизонт, подстилающий торф. Двум понижениям минерального дна торфяной ванны с глубиной
торфа более 6 м соответствуют наиболее выпуклые, автономные части болота с олиготрофной растительностью –
сосново-пушицево-клюквенно-сфагновая ассоциация с подбелом и росянкой, и самым угнетенным древостоем
сосны высотой 4-6 м, и запасом 40-60 м³/га. Между наиболее глубокими частями болота формируются фации
сосняков пушицево-сфагновых с миртом и кустарничками на торфах мощностью <3 м. Запас древостоя 60-
80 м³/га, высота деревьев 6-10 м. На окраинах болота формируются сосново-кустарничковые сфагновые
с тростником и сосново-голубично-сфагновые с багульником и черникой фации на хорошо разложившихся
маломощные торфах (<2 м). Древостой достигает высоты 10-15 м, запасы 100-200м³/га.
Хорошие результаты получены при зондировании грядово-котловинно-озового, камово-западинного
и озерно-флювиогляциально-зандрового ландшафтов. На радарограмме крутосклонной озовой гряды
выделяется песчано-каменистое тело, направление и простирание слоев, характерная слоистость отложений
и уровень грунтовых вод (УГВ). На вершине гряды УГВ превышает 6 метров и формируется елово-сосновый
лес с максимальной высотой и запасами древостоя; на склонах где УГВ подходит к поверхности ель начинает
преобладать над сосной, появляется ольха, запасы древостоя уменьшаются.
На камовом холме радарограмма наглядно показывает мощность и структуру отложений
слабосортированных песков. Зондированием определен и верифицирован по данным бурения уровень
грунтовых вод, выявлена глубина и границы камового образования, определена длина его простирания в
пределах болотного массива, обнаружена пра-долина р. Ланинка. Отчетливо выявляется тесная связь УГВ
и продуктивности древостоя. На вершине холма при УГВ 7-8 метров формируются сосняки лишайниковые
и брусничниковые, с запасами древостоя 180-220 м³/га. На склонах грунтовые воды выклиниваются к
поверхности, что хорошо видно на радарограмме. Запасы древостоя при оптимальном уровне грунтовых
вод на склонах достигают 350-400 м³/га. В нижних переувлажненных частях склонов появляются ельники с
запасом 80-120 м³/га. При переходе в болото происходит резкая смена условий местообитаний, формируются
сфагново-багульниковые редкостойные сосняки, с запасами менее 100 м³/га - ландшафтная граница отмечается
по контрастной смене типа и состава отложений на радарограмме.
При выставлении параметров максимальной глубины зондирования определена глубина залегания
коренных пород карбона на глубине 33-35 м.
Зондирование конечно-моренных гряд, основную толщу которых слагают валунные влажные суглинки
и глины, показало низкую проницаемостью волн этого диапазона. Убедительного разделения моренных
отложений не было получено при опробованных режимах съемки. В целом можно выделить только
поверхностный горизонт до глубины 2-4 метров неоднородный, темный и пестрый, интерпретируемый
нами как почвенные и двучленные образования. Однако сканирование вдоль трансект дает очень хорошее
воспроизведение термокарстового характера рельефа и структуры ландшафтов, скрытого в результате
торфонакопления в термокарстовых воронках (рис. 1).
Рис. 1. Связь древостоя со структурой почв и отложений. Вверху – запас, м
3
/га, внизу -фрагмент
радарограммы моренных суглинков.
Для выявления трехмерной структуры почв и подповерхностных отложений использованы возможности
площадного георадарного зондирования на двух частотах излучения 700 и 250 МГц. Съемка проведена на
территории УНС «Сатино» географического факультета МГУ в Калужской области. Покровные суглинки,
перекрывающие четвертичные отложения, сильно гасят радиосигналы зондирования, что привело к неудаче
в экспериментах с АБ «Тритон». Однако чрезвычайно сухой и жаркий летний период 2011 г. способствовал
увеличению глубины и разрешающей способности более высокочастотной георадарной съемки, что позволило
Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)
312
получить содержательные результаты (рис. 2).
Рис.2. Фрагменты радарограмм, полученных с помощью АБ-700+250 МГц. Вверху вертикальная структура
почв на склоне, внизу фрагмент структуры четвертичных отложений в нижней части склона
Сенокосной балки.
Площадная съемка проводилась галсами длиной 200 м вдоль размеченного склона Сенокосной балки.
Ширина между галсами 2 м, ширина полигона 20 м. Одновременно проводилась
GPS
съемка вдоль галсов.
Использование АБ 250 + 700 МГц позволяет существенно увеличить детальность и корректность получения
информации. На радарограммах, полученных при частоте 700 МГц с разрешающей способностью по вертикали
0.05-0.1 м, отчетливо дешифрируются трехмерные структуры горизонтов почв: пахотный горизонт по глубине
плужной подошвы на глубине 20-25 см; границы легко суглинистых горизонтов с тяжело суглинистыми
горизонтами в покровных суглинках на глубинах 50-60 см. Характерными элементами являются вертикальные
структуры почв: трещины, ширина которых в верхней части достигает метров, прослеживающиеся на
глубины более 2,5 м. Радарограммы, полученные при частоте 250 МГц, имеют разрешающая способность
порядка 0.25-0.30 м. В нижней части склона Сенокосной балки фрагмент радарограммы вскрывает линзу
водонасыщенных песчаных отложений, которые под покровными и делювиальными суглинками с глубины
2,5-3 м прослеживаются до глубин более 8 м. Эти отложения характеризуются волнистой и косой слоистостью
и несогласным залеганием, что свидетельствует в пользу их флювиогляциального происхождения. Ранее
эти отложения, вскрытые системой профилей буровых скважин, описаны как флювиогляциальные пески,
выполнившие ложбину стока талых ледниковых вод на стадии деградации московского ледникового щита [3].
Наличие
GPS
датчиков позволяет точно привязывать данные георадарной съемки к картографическим
или дистанционным изображениям в ГИС соответствующего масштаба. В результате простыми операциями
производится трехмерная привязка линзы лимногляциальных отложений легкого механического состава,
обнаруженной на глубине свыше 2 м под покровными и делювиальными тяжелыми суглинками (рис. 3). Все
съемка вместе с подготовкой оборудования и разметкой галсов заняла 4 часа.
Метод георадиолокации убедительно показывает, что литогенная основа (структура, состав и мощность
отложений, уровень грунтовых вод) играет ведущую роль в дифференциации структурных единиц ландшафта и
типов условий местопроизрастания. Пространственная непрерывность и высокая оперативность, возможность
изменения параметров зондировании данных позволяет исследовать трехмерную структуру почв и отложений.
Рис. 3. Координатная привязка линзы водонасыщенных лимногляциальных отложений, обнаруженных
георадарной съемкой под покровными суглинками на склоне Сенокосной балки. Приведен горизонтальный
срез площадной съемки на глубине 2,5 м
Доклады Всероссийской научной конференции
313
Литература
1. Бердников В.В. Палеокриогенный микрорельеф центра Русской равнины. М.: Наука, 1976. 126 с.
2. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. М.:
Агропромиздат, 1986.
3. Еременко Е.А., Панин А.В. Ложбинный мезорельеф Восточно-Европейской равнины. М.: МИРОС,
2010. 192 с.
УДК [911.2:550.4]:001.891.57
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ЛАНДШАФТНО-ГЕОХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В.В. Сысуев
Географический факультет МГУ, Москва, e-mail: v.v.syss@mail.ru
Каскадные ландшафтно-геохимические системы (КЛГС) объединяются в единое целое потоками
вещества и энергии от верхних гипсометрических уровней к нижним [1]. Ландшафтно-геохимические катены
- природные комплексы, объединенные однонаправленной миграцией элементов, рассматриваются как
простейшие КЛГС нулевого порядка, в пределах более сложной по структуре каскадной системы водосборного
бассейна первого порядка. Порядок КЛГС определяется по схеме Философова-Стралера[2].
Теоретическое описание структуры КЛГС основано на морфометрии параметров геофизических полей
гравитации и инсоляции, 1-ой и 2-ой теоремах о механизмах аккумуляции вещества, концепциях Хортона и
Философова-Стралера [3], а также принципах систематики почвенно-геохимических катен [2].
Первый механизм аккумуляции связан со сближением потоков, создающим предпосылки аккумуляции
переносимых поверхностным стоком сыпучих и жидких веществ. Количественной мерой схождения-
расхождения потоков является дивергенция линий тока. В соответствии с 1-ой теоремой [4] дивергенция
вектора линий тока равна плановой кривизне поверхности
k
p
: сближение линий тока происходит в тех участках
местности, где
k
p
<
0 и расхождение - где
k
p
>
0. Плановая кривизна
k
p
, земной поверхности, равная кривизне
горизонтали - параметр количественного описания первого механизма аккумуляции (
k
p
часто заменяют более
удобной для вычислений горизонтальной кривизной).
Второй механизм аккумуляции связан с относительным замедлением потоков на вогнутых по
профилю участках склонов, где уменьшается крутизна (фактор крутизны). В соответствии со 2-ой теоремой
[4] производная фактора крутизны по длине линии тока равна вертикальной кривизне
k
v
. Второй механизм
аккумуляции действует на вогнутых по профилю склонах, где
k
v
<0.
Механизмы аккумуляции и их связь с кривизной позволяют построить гибридную карту зон
относительной аккумуляции и сноса. Зонами
аккумуляции являются участки земной поверхности, в которых
оба механизма действуют одновременно. Зонами сноса являются участки земной поверхности, в которых
ни один из этих механизмов не действует - на этих участках потоки мигрантов расходятся и испытывают
относительное ускорение. Промежуточные зоны - зоны транзита. Морфометрическая формализация зон
относительного накопления и выноса соответствует ландшафтно-геохимическому пониманию сопряжения
элементарных ландшафтов [1]. Естественно, необходимо еще учитывать тип геохимического сопряжения,
соотношение геохимических обстановок в автономных и гетерономных почвах и другие принципы систематики
почвенно-геохимических катен [2].
Способность форм рельефа влиять на потоки носит характер топографических предпосылок. Вещества
движутся быстрее там, где больше крутизна склона, лишь при прочих равных условиях - одинаковом
эффективном трении, определяемом вещественным составом склона, растительностью, компонентами
мигрирующих веществ и т.д.
Важными параметрами переноса вещества в ландшафтах являются удельная площадь сбора (SCA – англ.
specific catchment area) и удельная площадь дисперсии. SCA показывает, с какой площади в каждый элемент
поверхности могут собираться со всех склонов сыпучие и жидкие вещества. На практике SCA прогнозирует как
реализованную, так и потенциальную гидросеть. Для расчета удельной площади дисперсии, описывающей, на
какую площадь могут распределяться из данного элемента поверхности сыпучие и жидкие вещества, достаточно
инвертировать матрицу высот (заменить
z
на -
z
), после чего использовать алгоритм для расчета SCA.
Расчет морфометрических параметров на основе цифровых моделей рельефа (ЦМР) позволяет
отображать пространственную иерархию КЛГС.
Исследовались бассейны таежных рек 1-го порядка (по гидрологической классификации) в зоне Валдайского
оледенения. Водосбор р. Межа расположен в перигляциальной зоне и имеет довольно развитую дренажную сеть,
заболоченность менее 50 %. Водосбор р. Лонинка расположен в озерно-водноледниковом зандровом ландшафте
краевой зоны оледенения, заболоченность около 70 %. Заболоченность водосбора р. Таежный Лог в пределах
конечно-моренной равнины 22 %. Параметры структуры получены в ГИС ЭКО (П.А. Шарый), FracDim (Г.М.
Алещенко, Ю.Г. Пузаченко),
SAGA
(
Bohner
, O.Коnrad,
et
al
), TauDem в
GIS
Windows (D. Tarboton)
В большинстве ГИС традиционным стал подход Р.Хортона: водоток формируется, когда интенсивность
поверхностного стока оказывается достаточной для того, чтобы сформировать эрозионную русловую
форму рельефа. Для этого вводятся параметры интенсивности поверхностного стока, к которым относят
эродирующую силу, SCA, величину расстояния до водораздела и др.
Работа автоматизированных алгоритмов выделения водотоков в растровых слоях ГИС включает
ряд этапов. Сначала на карте одного из параметров выделяются ячейки с величинами, превышающими
заданный порог – потенциальные точки истоков. На втором этапе программа проводит водотоки из заданных
Геохимия ландшафтов и география почв (к 100-летию М.А. Глазовской)
314
истоков, удаляя истоки, через которые проходит сток с более высоких истоков. На третьем этапе отсекаются
водотоки, меньшие некоторой минимальной длины. Процесс регулируется изменением значений пороговых
параметров аккумуляции стока и минимальной длины водотока. Оценка гидрологической согласованности
производится вычислением отклонений рассчитанной дренажной сети, от фактической речной сети, взятой из
картографического источника, либо измеренной в поле.
Рис. 1. Выделение порядка водотоков (А) и водосборов (Б) р. Лонинка в TauDem в GIS Windows
Численным моделированием установлено, что критическим параметром, наиболее достоверно
описывающим дифференциацию КЛГС водосборов таежных рек Лонинка и Межа, является SCA.
Водосборная геосистема р. Лонинка перед слиянием с р. Чернушкой имеет 2-ой порядок, несмотря на
площадь бассейна порядка 5 км
2
. Это обусловлено неразвитостью дренажной системы. КЛГС формируются
замедленным стоком маломинерализованных, кислых почвенно-болотных вод. Расчёт скорости латерального
поверхностного стока по априорным данным производился в ГИС SAGA. Наряду с обязательными
параметрами водосбора (высота, уклон, SCA, и др.) задаются параметры водотоков и русел, осадков и климата.
Распределенные параметры были заданы с помощью модели структуры ПТК [3]. Численное моделирование
показало, что использование даже табличных параметров процессов позволяет выявить распределение
скоростей стекания поверхностных вод. Так, на большей части бассейна при интенсивности осадков до
10 мм/час наблюдаются крайне низкие значения скорости стекания - 0,01 м/с и менее. Более высокие
скорости наблюдаются исключительно в руслах ручьев и речек (0,025-0,4 м/с). Поскольку водосбор является
заболоченной кочковатой равниной, прорезанной редкими руслами, в которых и наблюдается сток, это
вполне реально. Для верификации расчетов проведены полевые измерения скоростей и расходов р. Лонинка в
характерных створах. Во всех случаях предсказанные скорости отличаются от измеренных не так сильно, как
ожидалось (рис. 2).
Рис. 2. Скорости течения р. Лонинка и притоков. Расчеты с заданной интенсивностью осадков.
В условиях пересеченного конечно-моренного рельефа ведущим фактором формирования КЛГС 1-2-
го порядков является латеральный внутрипочвенный сток. Сопряжение в почвенно-геохимических катенах
существенно зависит от класса соотношения условий миграции в автономных и гетерономных ландшафтах. В
формировании КЛГС 3-го порядка ведущую роль приобретает грунтовый сток с повышенной минерализацией,
нейтральными и слабощелочными водами.
В условиях более древнего рельефа перигляциальной зоны геосистема водосбора р. Межа (в створе д.
Федоровское) имеет пятый порядок. Зависимость средних значений площади водосбора (Y) от его порядка
(
X
) с высокой достоверностью описывается уравнением вида Y
=
0.42
*
X
2,53
. Данные по площадям геосистем
1-го порядка имеют распределение близкое к логнормальному. Измерения выявили нелинейную зависимость
расходов от средней площади водосборов, и порядка водосбора. В летнюю межень остаются только водотоки
4-5 порядков, в засушливые годы их расходы падают до 1 л/с. В соответствии с уменьшением расходов воды
в этих водотоках становятся менее кислыми, их минерализация увеличивается за счет возрастания доли
почвенно-грунтового стока.
Полученная физико-математическая модель структуры и процессов гидрологического
функционирования КЛГС в качестве начальных и граничных условий будет использована для теоретического
описания пространственной миграции элементов.