Применение аэро- и космических методов в гидрологических исследованиях

При дешифрировании аэрофотоснимков высокогорных районов могут быть выявлены области питания, протекания и отложения селевых потоков. Области питания характеризуются эрозионными врезами в рыхлых незадернованных отложениях, хорошо различаемыми при стереоскопическом рассмотрении снимков. Зона транзита селей обычно прослеживается в виде коробчатого вреза в дно долины. Свежие селевые отложения дешифрируются по светлому тону с зернистой структурой, создаваемой крупными валунами. Наличие на конусе отложений полос леса разного возраста свидетельствует о постоянной селевой деятельности.

При изысканиях в горных районах  часто возникает необходимость в выявлении опасности схода снежных лавин. По аэрофотоснимкам представляется возможным определить наличие лавиноопасных участков и их состояние. Методика дешифрирования снежных лавин хорошо разработана и подробно рассмотрена в работе К. В. Акифьевой [5].

2 Изучение гидрологических процессов и явлений по аэрофотоснимкам

2.1 Деформации речного русла

 

Аэрофотоснимки с успехом используются для изучения русловых переформирований. Единовременно сделанные снимки позволяют анализировать развитие руслового процесса, восстанавливать ход планового перемещения русла в прошлом, определять направленность русловых деформаций. Еще большие возможности представляет изучение аэрофотоснимков речного русла, сделанных за ряд лет.

Анализ плановых деформаций русла  выполняется путем изучения различных  видов морфологических образований, выявляемых на аэрофотоснимках. Например, при свободном меандрировании реки это делается путем изучения так называемых вееров перемещения, т. е. чередующихся гряд и ложбин на пойме, образовавшихся в результате перемещений русла и хорошо просматриваемых на аэрофотоснимках. На рис. 3 видна отчленившаяся от реки излучина-старица, а в правом нижнем углу — и русло реки. На пойме в районе старицы хорошо виден характерный рисунок «вееров перемещения» — изогнутых линий гряд. Гряды на пойме представляют собой береговые валы, отошедшие от реки в процессе перемещений русла.

Одним из наиболее распространенных видов плановых деформаций русла является перемещение S-образной излучины вокруг относительно неподвижной точки (рис. 4). Пределом перемещения часто является прорыв в основании петли. В этом случае из петли образуется старица, как это видно на рис. 3. Затем цикл развития излучин обычно повторяется.

Анализ плановых перемещений русла  на участке реки позволяет выявить  места, где плановые деформации проявляются  наиболее интенсивно и наиболее слабо. Места слабовыраженных деформаций более благоприятны для расположения на них мостовых переходов и гидротехнических сооружений.

Последовательные аэрофотосъемки участка реки в различные периоды  гидрологического режима на протяжении ряда лет позволяют изучать русловой процесс. При помощи стереофотограмметрической обработки аэрофотоснимков можно получать как качественные, так и количественные характеристики изучаемого процесса. Наибольший эффект достигается сочетанием метода аэрофотосъемки и наземных наблюдений, в частности измерений уклонов, расходов воды, скоростей течения, расходов наносов, определение механического состава их и донных отложений. Для подробного ознакомления с затронутыми вопросами рекомендуется книга И. В. Попова [6].

Рис. 3. Аэрофотоснимок отчленившейся излучины реки.

Рис. 4. Схема плановой деформации русла в виде разворота S-образной излучины (по И. В. Попову)

2.2 Переформирование берегов водохранилищ

 

Аэрофотосъемка позволяет в  короткие сроки, практически одновременно, сделать съемку больших участков. Обработка и анализ аэрофотоснимков дают материал для качественных и количественных выводов о развитии процесса переформирования берегов. Съемка производится периодически со времени начала заполнения водохранилища и затем обычно не менее 1 раза в год.

Материалы аэрофотосъемки во время заполнения водохранилища, производимой обычно учащенно, служат также для наблюдений за происходящими в это время явлениями и процессами, например за заполнением поймы, ледоходом, ледоставом и др.

Изучение переформирования берегов  с применением аэрофотосъемки проводилось на Цимлянском, Куйбышевском, Волгоградском и других водохранилищах. На Волгоградском водохранилище в июне 1961 г. была сделана аэрофотосъемка для определения степени размыва берегов. Полученные материалы сравнивались с аэрофотосъемкой, сделанной в 1959 г. Анализ показал, что наибольший размыв берега за этот период составил 85 м (на полуострове близ устья р. Еруслан). В других местах были отмечены отступания берегов на 55—65 м. Существенный размыв был отмечен на значительном протяжении берега прямолинейного простирания.

Аэрофотосъемки берегов дают возможность  определить их форму, высоту, крутизну, особенности геологического строения, наличие, формы и размеры береговых  отмелей. Как и при изучении русловых переформирований, наиболее эффективное изучение процесса переформирования берегов достигается сочетанием метода аэрофотосъемки с наземными наблюдениями. Аэрофотосъемки позволяют выявить места наибольших размывов и аккумуляции. В характерных местах организуют наземные стационарные наблюдения.

2.3 Изучение волнения

 

Наиболее часто метод аэрофотосъемки находит применение на крупных водных объектах: морях, больших озерах.

Обычная аэрофотосъемка с летящего по курсу самолета непригодна для стереоскопического изучения волнения, так как между снимками одной стереопары проходит определенный промежуток времени, за который вид взволнованной поверхности изменяется ввиду ее большой динамичности. В этом случае могут использоваться отдельные снимки для описания волнения: выявления систем волн, их взаимодействия, трансформации волн на мелководье и пр. Применяли съемку двумя синхронно работающими аэрофотоаппаратами, расположенными на крыльях самолета, но при этом базис съемки мал и площадь съемки незначительна.

В ГГИ разработан способ аэрофотосъемки взволнованной поверхности с двух самолетов. На одном из них, ведущем, устанавливают два аэрофотоаппарата для плановой съемки водной поверхности (основной и контрольный) и, кроме того, аэрофотоаппарат для съемки второго самолета и линии горизонта, на втором самолете, ведомом, — один аэрофотоаппарат для плановой съемки водной поверхности. Ведущий самолет оснащается радиовысотомером, статоскопом и командным прибором, управляющим работой всех аэрофотоаппаратов; команда на второй самолет передается по радио. Съемка выполняется синхронно. Каждая отдельная съемка дает два основных снимка, одну статограмму, одну пленку регистрации высотомера и один снимок ведомого самолета и линии горизонта. При проведении съемок применяется определенный порядок полета. При полете в направлении разгона волн (по ветру или против него) самолеты идут параллельно — фронтальным строем. При съемке перпендикулярно ветру самолеты идут один за другим. Такой порядок обеспечивает удобство и упрощение дальнейшей обработки. Обработка стереопар делается на стереокомпараторе. В результате получают план взволнованной водной поверхности в горизонталях.

Стереоскопическая аэрофотосъемка волнения с двух самолетов описанным способом успешно применялась на ряде крупных водоемов. Опыт такой съемки и анализ полученных результатов приводятся, например, в статье А. В. Смирновой [7].

Имеются и другие методы съемки волнения с самолета.

2.4 Ледовые явления и ледоход

 

Аэрофотосъемка используется для  наблюдения за замерзанием рек и  водоемов в осенне-зимний период, за состоянием ледяного покрова зимой, за весенним вскрытием и ледоходом. Параллельно применяют аэровизуальные наблюдения. Эти наблюдения дают возможность получить практически одновременно картину ледовой обстановки на всем исследуемом участке, определить места зажоров и заторов, а путем последовательных съемок изучить их развитие. Ведут наблюдения за процессом ледохода, густотой ледохода, размерами и формой льдин, за пропуском льда через строящиеся гидротехнические сооружения.

Аэрофотосъемка ледохода на больших реках является эффективным способом изучения этого явления. Так, она была с успехом применена в низовье р. Лены на участке протяженностью более 100 км при ширине реки 10 км и более. Для получения траекторий и скоростей движения льдин производились многократные полеты по одному маршруту в течение времени, пока лед не пройдет весь участок, при этом удавалось проследить путь любой выбранной льдины. Опознавание льдин не представляло затруднений, так как их форма хорошо сохранялась. Для получения векторов течений и определения смещения льдин за время между двумя последовательными снимками (10—16 с), а также для подробного освещения ледовой обстановки и условий отстоя судов в затонах делали стереоскопическую аэрофотосъемку.

Для измерения толщины ледяного покрова применяют радиолокационный импульсный метод, особенно эффективный при большом объеме работ, например на длинных участках рек, больших озерах, водохранилищах. Он позволяет выполнить работы быстро, практически синхронно. Импульсный метод основан на определении времени запаздывания радиоимпульсов, отраженных от нижней поверхности льда по сравнению с импульсом, отраженным от его верхней поверхности.

Экспедицией ГГИ были проведены  РЛ-съемки на реках Лене, Витиме, Олекме [8]. Съемка проводилась с вертолета Ми-4 с высоты 50—100 м по продольным и поперечным маршрутам. При съемке на р. Лене толщина льда была от 0,8 до 2,1 м.

2.5 Снежный покров и снеготаяние

В период снеготаяния производят несколько  съемок в различные его фазы. На аэрофотоснимках выделяются площади, покрытые снегом. Количество воды в снеге, которое может участвовать в стоке с водосбора, определяют на основании данных наземных наблюдений за запасом воды в снеге.

На аэрофотоснимках, сделанных  в период снеготаяния, хорошо выделяются участки местности со снежным покровом. Снег получается белым на темном фоне («пестрый ландшафт»). Влажная почва имеет на снимках темный тон; по мере высыхания почвы тон светлеет. Снег хорошо просматривается в лесных массивах из лиственных пород. В хвойных лесах наличие снега определяется при стереоскопическом рассмотрении снимков. Оценить площадь, занятую снегом, на снимках «нестрого ландшафта» довольно трудно. Для этого иногда применяют так называемый весовой способ. Накладывают на аэрофотоснимок кальку, обводят контуры снега и вырезают. Отношение веса вырезанных частей к весу всей кальки принимают равным отношению площади снежного покрова ко всей площади, заснятой на аэрофотоснимке. Площадь, занятая снежным покровом, определяется и оптическим способом: с помощью специального устройства собирают отдельные пятна снега в одно большое пятно, площадь которого равна сумме площадей отдельных пятен.

Кроме описанного способа, применяется  самолетная гамма съемка снежного покрова, основанная на поглощении снегом гамма-излучения естественных радиоактивных элементов почв и горных пород. Самолетная гамма-съемка производится с помощью специальной аппаратуры ACT, устанавливаемой на самолетах ИЛ-14 или АН-2 и на вертолетах Ми-4. В состав аппаратуры входят преобразователь гамма-излучения в электрические импульсы, радиовысотомер, блоки преобразования и накопления информации. Регистрация информации осуществляется на самописце и цифропечатающем устройстве.

2.6 Гидрологические характеристики болот.

 

Материалы аэрофосъемки широко используются для гидрографических описаний и гидрологического изучения болот. Методика дешифрирования аэрофотоснимков болот достаточно хорошо разработана.

Болота на аэрофотоснимках хорошо опознаются по прямым дешифровочным  признакам, к которым относятся:

1. зернистость;
2. полосатость;
3. тон рисунка.

Зернистость рисунка связана с  наличием деревьев на болоте. На аэрофотоснимках  различаются лиственные и хвойные  породы деревьев и кустарники. Полосатость  рисунка характеризует грядово-мочажинные и грядово-озерковые комплексы. На снимках они представляют чередование светлых и темных полос, расположенных обычно концентрически. Тон рисунка связан с характером растительности и степенью обводнения болота. Травяные (осоковые) болота выглядят на снимках темнее моховых (сфагново- пушицевых); сильно обводненные болота выглядят темнее менее обводненных.

К дешифровочным признакам болот  относятся также минеральные острова, выделяющиеся крупной зернистостью рисунка леса, и внутриболотные водотоки и водоемы, отличающиеся темным тоном водной поверхности и имеющие характерные очертания: реки — большую извилистость, озерки — округлую форму.

Рис. 5. Аэрофотоснимок болотной местности

1 – грядово-мочажинный комплекс; 2 – сфагново-пушицевое болото; 3 – лесное болото с зарослями кустарничка и сфагновика.

На рис. 5 показан аэрофотоснимок, на котором хорошо опознаются болотные массивы по дешифровочным признакам. На снимке изображена лесная болотная местность, по которой протекает река. Суходольные участки покрыты елово-пихтовым лесом с примесью березы, понижения заняты болотами различного вида. Длинная серая разных оттенков полоса, идущая поперек снимка,— сфагново-пушицевое кустарниковое болото разной степени увлажненности. По нижнему его краю, маскируясь древесной растительностью в верхнем течении, протекает речка, выходящая далее на болотный массив, где соединяется с другой речкой. На снимке видны грядово-мочажинные комплексы, легко различаемые по характерному рисунку, а также лесные болота, отличающиеся зернистостью рисунка.