Morphometric features of the structure of river basins Oina-Kharal ore node (Tuva, Russia).pdf Введение Разработка месторождений и добыча полезных ископаемых проводятся при активной антропогенной нагрузке на окружающую среду. В местах добычи идет воздействие на рельеф, бассейновая организация которого во многом определяет процессы переноса и накопления вещества, в том числе поступающего от хозяйственной деятельности. Интенсивное эрозионное расчленение и высокая динамика рельефообразующих процессов наряду с интенсивной антропогенной нагрузкой определяют формирование эколого-геоморфологического состояния территории. Изучение структуры речных бассейнов позволяет выявлять основные закономерности распределения потоков вещества в пространстве и времени на разных иерархических уровнях. Полученные знания используются в целях морфоструктурно-го анализа, восстановления истории развития рельефа. Для более детального анализа речных бассейнов в настоящее время применяются возможности геоинформационных систем (ГИС) и методы фрактальной геометрии [Фрактальный..., 2013]. Объектом исследования являются речные бассейны Ойна-Харальского рудного узла, в котором с начала XX в. ведется добыча россыпного золота. В районе известны крупные россыпные месторождения золота рек Оо-Хем, Ойнаа, Демиржи, Харал и их притоков (рис. 1). Россыпи в основном отработаны, относятся к долинным, террасовым и техногенным типам россыпей. В структурном отношении Ойна-Харальский рудный узел охватывает Хараль-ский выступ байкалид, сложенный позднепротеро-зойскими терригенными и вулканогенно-осадоч-ными отложениями харальской и охемской свит, прорванными субвулканическими и жерловыми образованиями позднепротерозойского харальского комплекса и субвулканическими интрузиями диабазов, диабазовых порфиритов, гранит-порфиров кембрийского и девонского возрастов. Золотое орудене-ние локализовано в кварцевых жилах, сульфидизи-рованных метасоматических кварцитах и кварц-полевошпатовых метасоматитах, в толще графити-стых сланцев и относится к золото-кварцевой, золо-то-кварцитовой, золото-сульфидно-кварцевой и золото-сульфидно-углеродистой формациям [Рудные., 1981]. © Чупикова С. А., Прудников С.Г., Андронаке И.К., 2020 DOI: 10.17223/25421379/15/8 Фрактальный анализ является относительно новым подходом для исследования водоcборных бассейнов. Термин «фрактал» образован от лат. fractus («прерывать, создавать нерегулярные дробления»). Под фрактальностью понимают свойство природы повторяться в разных масштабах пространства и времени, она помогает лучше понять природу объекта. «Фрактальное множество» - это математическое понятие, а «естественный фрактал» - это природный феномен, который может быть представлен фрактальным множеством. В работе [Мандельброт, 2002] впервые была высказана идея исследования разветвленных (речные, эрозионные сети, береговые линии), а также площадных (острова, озера, горные области) географических объектов методами фрактального анализа. В качестве примеров проведены математические вычисления показателей фрактальной размерности этих объектов. Фрактальный анализ позволяет выявлять количественные связи между переменными, характеризующими природную систему, и проводить сравнительный анализ пространственно-временной организации таких систем, независимо от природы их происхождения [Ман-дельброт, 2002]. Фрактальная размерность - это мера сложности, степень, с которой фрактал заполняет пространство, определяя неравномерность и фрагментацию геометрической структуры природного объекта. Обычно его фактическое значение выше, чем топологическое измерение. Фрактальный анализ использовался в географических исследованиях, связанных с обезлесением и развитием лесов в Румынии [Andronache et al., 2016; Andronache et al., 2019; Diaconu et al., 2019]. Установлено [Аюнова и др., 2018], что показатели фрактальной размерности, определенной для речной и разломных сетей морфоструктурных блоков Саяно-Тувинского нагорья, выделяют зоны высокой сейсмической активности территории максимумами значений. В недавнем исследовании [Diaconu et al., 2017] была предложена модель для анализа сложности водосбора с использованием фрактального анализа. Применение современных технологий и фрактальной геометрии для построения моделей речных систем может служить (инструментом) средством решения задачи их детального и всестороннего изучения и моделирования различных процессов, происходящих на реках. Цель статьи - морфометрический и фрактальный анализ речной сети Ойна-Харальского рудного узла на основе классификации Хортона-Стралера для выявления качественных и количественных изменений водосборного бассейна. Объект и методы исследования Основными водными артериями района исследования являются реки Харал и Оо-Хем, левые притоки р. Большой Енисей (Бий-Хем). В структурах современного рельефа бассейны рек находятся в переходной зоне от высокогорных хребтов Шорлыков-ские Белки и Ондут-Тайга, входящих в систему хр. Академика Обручева, к Тоджинской котловине. Рельеф в бассейнах рек Харал и Оо-Хем среднегор-ный слаборасчлененный, с пологими склонами, от абсолютных отметок 1 800-2 000 м на юге он постепенно выполаживается до 900-1 100 м в низовьях рек на севере. Все реки района относятся к типично горным, молодой стадии развития, характеризуются бурными водотоками, значительными уклонами долин, резким колебанием дебита. Все питаются за счет таяния мерзлоты и атмосферных осадков. Река Оо-Хем образуется от слияния рек Ойнаа и Шеннелиг. Общая протяженность р. Оо-Хем и ее правой составляющей - р. Ойнаа около 70 км, базисом эрозии является устье с отметкой 951,4 м. Река Ойнаа берет начало из межгорной котловины, прилегающей к северному борту хр. Академика Обручева, и на протяжении около 20 км течет в северозападном направлении. Форма долины ящикообраз-ная. Ширина днища 150-180 м, в суженных частях -80-100 м. Ниже устья р. Шеннелиг, где начинается собственно р. Оо-Хем, на протяжении около 15 км река протекает в меридиональном направлении, которое затем сменяется на северо-восточное. Долина р. Оо-Хем ящикообразная и характеризуется простым симметричным строением. Она глубоко врезана в коренные породы: превышение водоразделов над поймой составляет 500-600 м. В поперечном разрезе долины выделяются сравнительно крутые склоны гравитационно-делювиального сноса и плоское дно, как правило, занятое поймой. Надпойменные террасы не характерны. Пойма постепенно расширяется вниз по течению. Если в верхней части ширина поймы не превышает 150-200 м, то в среднем течении она расширяется до 900-1 200 м и достигает 3 000 м в нижнем течении. Основные притоки - реки Кара-Адыр, Ак-Хем, Демиржи, Биче Де-миржи. Река Харал начинается от слияния рек Кара-Хем и Чайынды. Общая длина р. Харал с ее левой составляющей р. Кара-Хем достигает 90 км, базисом эрозии является устье с отметкой 1 000 м. Основная составляющая - р. Кара-Хем - берет свое начало в высокогорной гольцовой области, на северных склонах хр. Академика Обручева, являющегося водоразделом между Бий-Хемом и Каа-Хемом. В среднем течении в р. Харал впадают реки Шорлуг, Тылба, Хадын и крупные ручьи Эк, Сумасшедший, Хина, Конопка, Ивановский, Степановский, Сафьяновский. В общей схеме речной сети района система р. Харал занимает особое положение. Долина р. Харал состоит из трех разнородных участков: верхнего (долины рек Кара-Хем, Сай-Кежиг и Чайында), представляющего собой днище древнего Верхнехаральского приледникового озера и еще недавно (до верхнеплейстоценового оледенения) входившего в систему реки Серлиг-Хем; нижнего (меридионального), наиболее древнего, являющегося продолжением долины р. Шорлыг; и соединяющего их среднего, представляющего собой юное ущелье, возникшее в результате речного перехвата - похищения одним из правых притоков Харала верховий р. Серлиг-Хем. Для Харальского ущелья длиной 10 км характерен V-образный профиль с глубиной вреза, достигающей 150-200 м, резко выраженными бровками и скалистыми склонами, которые падают под углом 50-70° к узкому днищу, целиком занятому водотоком. В верхней части находится несколько порогов-водопадов, следующих один за другим высотой 25 м каждый. Описанный выше перехват обязан перестройке долинной сети, произошедшей в верхнеплейстоценовое время в связи с таянием ледникового покрова Азасского ледника [Гросвальд, 1965]. Образование Харальского ущелья, которое можно считать долиной прорыва, связано с эрозией, производимой сбрасываемыми водами древнего ледникового озера, существовавшего в пределах Серлиг-хемской впадины. Таким образом, бассейн р. Харал фактически включает в себя две долинные сети -р. Палео-Кара-Хем и р. Палео-Шорлыг. Вершиной р. Харал до образования Харальского ущелья являлась современная р. Шорлыг. По характеру рисунка речной сети речная система р. Оо-Хем относится к древовидному типу. Речная система р. Харал комбинированного типа: в верхней части (Кара-Хем, Чайынды) - древовидного типа, в нижней части (ниже Харальского ущелья) -перистого типа, что также подтверждает ее принадлежность к изначально разным речным системам. Методология исследования основывается на морфометрическом анализе речных бассейнов (Хор-тон-анализе). Программное обеспечение ГИС использовалось для оцифровки и статистических расчетов интересующих параметров. Анализ проводился по картам (в формате *.shp), оцифрованным в масштабе 1 : 100 000. Исследуемые морфометриче-ские характеристики, такие как число, порядки потоков, их длина, были напрямую рассчитаны в программном обеспечении. Показатель фрактальной размерности вычислен с использованием программного обеспечения «Фрактальная размерность речной сети» [Калуш, Логинов, Чупикова, 2006], разработанного с участием авторов. Статистическая обработка данных проведена в программе Microsoft Office Excel. Классификация речного бассейна по порядкам выполнялась с использованием системы Хортона-Стралера [Хортон, 1948; Ржаницын, 1960]. Данная система построения иерархии водотоков позволяет провести фрактальный анализ, дает возможность статистически обработать полученные данные по порядкам рек и выполнить сравнительный анализ. В работе была использована новая морфометрическая модель: фрактальная дренажная модель [Diaconu et al., 2017], прошедшая апробацию на водоразделе Жижила (Румыния), Харал (Россия, Тува) [Чупикова, Андронаке, 2019]. Морфометрическая модель представляет морфо-метрические процедуры для получения количественной информации об изучаемых процессах или явлениях. Система классификации Хортона-Стра-лера и вытекающие из нее морфометрические связи были проверены для бассейнов р. Харал и р. Оо-Хем. В системе Хортона-Стралера первый порядок присваивается элементарным водотокам, которые имеют способность организовать сток и не получают других притоков, в то время как все количество воды отводится одним главным потоком, который имеет самый высокий порядок. Для создания мор-фометрической модели дренажа необходимо: количество участков реки, N; сумма длин отрезков реки, L (км); средняя длина реки отрезки, I (км). Эти параметры составляют строки значений, расположенных в виде геометрических прогрессий. Измерения исследуемых параметров, таких как число, длина, средняя длина (сумма длина/число) речных водотоков - по классификации Хортона-Стралера, и вычисления показателей бифуркации, плотности дренажа речных водотоков проводились с применением инструментария геоинформационных систем. В работе мы в основном придерживались методики, из-ложеной в статье [Diaconu et al., 2017]. Вначале определяется количество речных водотоков, затем количество речных водотоков каждого порядка и соотношение слияния Rc: R _ х+Wm4)i С (Nmi+Nm2) + (Nm2+Nm3)(Nm3+Nmi) ( ) Nci _ frf, i_ 1,2,3,4. (2) кс Суммируя длины сегментов водотоков различных порядков в пределах водосборного бассейна, получаем серию суммированных длин по отношению к порядку. Рассчитав отношение этой прогрессии как средневзвешенное значение парциальных соотношений, последний обозначаем как RL: \\(!jmi\\+(^\\+(i^\\]x[(Lml+Lm2)+(Lm2+Lm3)(Lm3+Lmi)] g _ ^Lm3J ^ьт^Л_ (3) (Lmi+Lm2) + (Lm2+Lm3)(Lm3+Lm4.) la _ i _ 1,2,3,4. (4) KL С учетом законов порядков водотоков и суммированных длин водотоков последовательных порядков в данном дренаже (речной системе), можно вывести закон средней длины. Соотношения последовательных значений, определяющих две серии, образуют новый геометрический ряд. Средние длины отрезков водотока последовательно более высоких порядков в бассейне имеют тенденцию приближаться к возрастающему геометрическому ряду, в котором первым членом 1 является средняя длина сегментов первого порядка [Хортон, 1948; Strahler, 1952]. Отношение К; последовательных средних длин можно снова установить, рассчитав средневзвешенное значение парциальных отношений или их среднее арифметическое или установив наклон линии, проведенной через измеренные точки. R _ [(l^^)+(l^t)+(l^^)]x[Wml+Im2)+Wm2+Im3)Wm3+Im4)] 5 ' 0т1 + 'т2) + 0т2 + 'тз)0тз + 'т4) lci_-RП, i_1,2,3,4, (6) где т. - это измеренные с применением инструментария геоинформационных систем значения; вычисленные значения рассчитываются с использованием коэффициента, полученного посредством взвешенного арифметического среднего; Rc - коэффициент речных водотоков; RL - отношение длины отрезка реки; Rl - отношение средней длины речных водотоков; Nj - количество речных водотоков c 1-го по 4-й порядок; Lj - сумма длин речных водотоков /-го порядка; - сумма средней длины речных водотоков /-го порядка: / = 1, 2, 3, 4. Закон суммируемых длин убывающий, а закон средних длин - увеличивающейся геометрической прогрессии, поэтому отношение RL последовательных суммированных длин всегда должно быть меньше, чем Rc. Если RL были бы равны Rc, тогда rl был бы равен единице, а средние длины сформировали бы постоянный ряд, что невозможно в реальности. Аналогично, если бы RL было больше, чем Rc, их отношение было бы ниже единицы, а закон средних длин - убывающая прогрессия. Соотношение суммарных длин не может быть меньше или равно единице, так как в этом случае закон суммированных длин больше не будет убывающей прогрессией, следовательно 1< RL < Rc [Milton, 1966]. Морфометрический анализ дренажа помогает установить текущую стадию равновесия или дисбаланс бассейна, а также будущие тенденции развития [Grecu, Palmentola, 2003] и рассчитывается с использованием уравнения /„ = Nn~1/R , (7) где In - индекс равновесия водосбора, Nn_t - представляет значение предпоследнего члена в каждой прогрессии, Rc - коэффициент соотношения слияния водотоков реки [Grecu, Palmentola, 2003]. Когда In = 1, водосборный бассейн находится в равновесии; при 1п 1, то бассейн все еще находится в дисбалансе, но чрезмерно развит. В качестве нового подхода в работе [Diaconu et al., 2017] предлагается фрактальная модель дренажа с учетом порядков рек. Для расчета фрактальных показателей речной сети использовался модифицированный клеточный метод, на основе которого создана программа «Фрактальная размерность речной сети» [Калуш, Логинов, Чупикова, 2006]. Особенностью программы является возможность работы с данными ГИС. Применение геоинформационных технологий обеспечивает эффективность анализа фрактального показателя речной сети в географической системе координат. Полученные файлы, с координатами кривых, преобразовывались в текстовый формат с рсаширением *.txt и импортировались в программу «Фрактальная размерность речной сети». На основе фрактальных измерений нами предлагается новая морфометрическая модель - модель фрактального дренажа, которая базируется на следующих уравнениях: FD (DBml+DBm2)+ (DBm2+DBm3)(DBm3+DBm4) i = 1,2,3,4, (9) KFD где m - измеренные (реальные) значения; с - вычисленные (с использованием соотношений, полученных взвешенным среднеарифметическим); RFD -отношения фрактальных размеров сегментов реки (речных потоков); FDt - фрактальная размерность участков реки Ith-го порядка (речных потоков). Результаты и обсуждение В принятом масштабе исследования порядок главных рек Харал и Оо-Хем, составляющих Ойна-Харальский рудный узел, рассчитанный по системе Хортона-Стралера, - пятый. Для структурного анализа с использованием модели дренажа использовались показатели рек 4-го порядка. В бассейне реки Харал выделено 4 подбассейна 4-го порядка - это реки Шорлуг, Кара-Хем, Чайынды и Сай-Кежиг. В бассейне реки Оо-Хем пять рек 4-го порядка -Ойнаа, Демержи, Кара-Адыр, Ак-Хем, Шеннелиг (рис. 1). В результате работы были получены расчетные значения измеренных параметров: числа (количества) водотоков, их длины, средней длины по порядкам рек. Результаты полученных измерений и вычислений сведены в табл. 1, 2. Как видно из табл. 1, распределение речных отрезков Nt для каждого исследуемого бассейна осуществляется на основе нисходящей геометрической прогрессии с определенным соотношением (коэффициентом) Rc. Так, на водосборе р. Шорлуг (44 потока рек 1-го порядка, 7 потоков рек 2-го, 3 реки 3-го, 1 отрезок 4-го порядка) с отношением Rc~ 5,47. Для бассейна р. Кара-Хем (65 притоков 1-го порядка, 13 притоков 2-го, 4 притока 3-го и 1 река 4-го порядка) коэффи-циет Rc равен 4,65. Для бассейна р. Чайынды аналогичные параметры составили 30 притоков 1-го порядка, 22 участка 2-го, 4 притока 3-го и 1 - 4-го порядка, значение Rc равно 2,84. На водосборе р. Сай-Кежиг число притоков по порядкам имеет такие же значения, как и для бассейна р. Шорлуг. Определенные значения коэффициента Rc для интересующих водосборов позволили рассчитать нормальное значение стандартной геометрической прогрессии. В условиях стандартной геометрической прогрессии число водотоков рек 1-го и 2-го порядка для исследуемых бассейнов должно быть больше, 3-го - совпадать с имеющимся, а 4-го порядка - быть меньше. Так, например, для водосбора рек Шорлуг и Сай-Кежиг значение индекса равновесия водосбора (/„) составляет 0,55. На водосборе реки Кара-Хем (/„) индекс равен 0,84, а для р. Чайынды - 1,41. Рис. 1. Объект исследования, порядок рек по классификации Хортона-Стралера Fig. 1. Object of study, the order of the rivers according to the classification of Horton-Strahler Таблица 1 Параметры водотоков рек 4 -го порядка бассейн р. Харал Parameters of river stream 4 order river basin Charal Table 1 Порядок рек (i) Параметр 1 2 3 Коэффициент R р. Шорлуг 4 Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 44 7 3 1 Rc 5,47 Вычислено 89,9 16,4 3,00 0,55 1п 0,55 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 70,0 23,7 6,8 7,2 Rl 2,87 Вычислено 55,9 19,4 6,8 2,4 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,56 2,94 2,27 7,16 RI 0,63 Вычислено 0,91 1,44 2,27 3,59 р. Кара-Хем Кол-во водотоков рек (Nt) Измерено 65 13 4 1 Rc 4,65 Вычислено 86,6 18,6 4,00 0,86 /„ 0,86 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 126,05 34,3 17,90 17,20 Rl 2,93 Вычислено 152,7 53,3 17,90 6,1 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,91 2,29 5,99 17,32 RI 0,38 Вычислено 1,023 2,48 5,99 14,49 р. Чайынды Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 30 11 4 1 Rc 2,84 Вычислено 32,2 11,4 4,00 1,41 1,40 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 62,11 16,2 17,6 21,9 Rl 2,39 Вычислено 100,7 42,1 17,6 7,4 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,7 1,5 4,4 21,96 RI 0,63 Вычислено 0,42 1,35 4,4 14,3 р. Сай-Кежиг Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 44 7 3 1 Rc 5,47 Вычислено 89,9 16,4 3,0 0,55 In 0,55 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 70,0 23,7 6,8 7,2 Rl 2,87 Вычислено 55,9 19,4 6,8 2,4 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,56 2,94 2,27 7,16 RI 0,63 Вычислено 0,91 1,44 2,27 3,59 Проведенный анализ для бассейна р. Харал указывает, что все реки, входящие в него, не находятся в равновесии, у них есть относительная степень недоразвития, кроме р. Чайынды, которая переразвита (/„ = 1,4). Причиной является то, что современная речная сеть Харала находится в молодой стадии развития, в районе Харальского ущелья продолжается активная глубинная и боковая эрозия, продольный профиль не выработан. Это связано с перестройкой речной сети и перехватом рек, произошедшим в верхнеплейстоценовое время в связи с таянием ледникового покрова Азасского ледника и катастрофическим спуском Верхнехаральского при-ледникового озера в долину Палео-Шорлуга [Гро-свальд, 1965]. Образование Харальского ущелья, которое можно считать долиной прорыва, связано с эрозией, производимой сбрасываемыми водами древнего приледникового озера, существовавшего в пределах Серлигхемской впадины. Современный рисунок гидрографической сети рек в целом отражает изменение активности водно-эрозионных процессов, обусловленное соотношением энергии потоков и сопротивляемости пород, слагающих бассейн [Рудные., 1981]. Река Чайынды до перехвата рек относилась к более древней и развитой речной системе Палео-Кара-Хема. В связи с чем подтверждаются предположения о общей унаследовательности «памяти» в характере и свойствах гидрографической сети [Фрактальный., 2013]. Основываясь на трех параметрах (см. табл. 1): количестве потоков рек разных порядков, суммарной длины потоков рек и средней суммарной протяженности потоков рек с учетом логарифмической шкалы в программе Microsoft Excel 2007 для каждого бассейна 4-го порядка, была разработана морфо-метрическая модель дренажа. На рис. 2 изображена морфометрическая модель, полученная для реки Ка-ра-Хем, относящейся к бассейну р. Харал. Степень баланса водосборов отображается графически пересечением линии суммированных длин с линией суммарной средней длины (см. рис. 2). Для рек Шорлуг, Чайынды и Кара-Хем точка пересечения этих линий соответствует значению абсцисс 3,9-4,0, что составляет более 90% и может свидетельствовать о балансе водосбора. Распределение суммарной средней длины производится на основе возрастающей геометрической прогрессии с определенными отношениями. В условиях стандартной геометрической прогрессии средняя длина сегмента реки 3-го порядка совпадает с вычисленными значениями, а 4-го - несколько больше или меньше измеренной длины. Определение отношения позволило вычислить нормальное значение стандартной геометрической прогрессии для каждого параметра. Используя программу «Фрактальная размерность речной сети», вычислены показатели фрактальной размерности с 1-го по 4-й порядок всех рек территории исследований. Так, на рис. 3 отбражены результаты фрактального анализа р. Кара-Хем, принадлежащей бассейну р. Харал. Фрактальный анализ притоков рек с 1-го по 4-й порядок отражает, как и в случае морфометрической модели водосбора, баланс гидрографического бассейна. Фрактальная размерность потоков рек 1-, 2- и 3-го порядков показывает естественное нисходящее направление фрактальной размерности с увеличением порядка речных потоков: чем выше порядок, тем меньше число потоков, а также неявно суммированную длину этих потоков. Фрактальная размерность долины Кара-Хем составляет 1,117, а фрактальная размерность речной сети р. Кара-Хем (включая все речные отрезки, без учета их порядка) - 1,275. Это указывает на высокую степень сложности долины Кара-Хем, порожденную сложной историей развития гидросети Палео-Кара-Хема, начавшуюся с образования Верхнехаральского приледникового озера и, как следствие, повышения базиса эрозии р. Палео-Кара-Хем; затем следовал спуск озера с похищением гидросети рекой Харал и резким понижением базиса эрозии. Аналогичные вычисления были проведены и для рек 4-го порядка, принадлежащих бассейну реки Оо-Хем (табл. 2). Согласно данным табл. 2, только для водосборов рек Демержи и Ак-Хем с расчетными значениями речных водотоков 4-го порядка индекс равновесия водосбора (/„) соответствует 0,76 (Демержи), 0,88 (Ак-Хем), коэффициенты соотношения слияния (Rc)~ 3,95 и 3,41; подтверждается наличие относительного баланса на данных водосборах. Из анализа бассейна р. Оо-Хем следует, что не все реки находятся в равновесии, они имеют большую или меньшую степень недоразвития. Причина заключается в том, что современная речная сеть р. Оо-Хем находится в молодой стадии развития, характерной для горных рек. Изображение морфометрической модели на примере р. Демержи (бассейн) р. Оо-Хем приведено на рис. 4. Фрактальный анализ притоков реки Демержи 1-, 2-, 3-го порядков выявляет естественную тенденцию к уменьшению фрактальной размерности, одновременно с увеличением порядка притоков реки (чем больше порядок, тем меньше количество притоков этого порядка и меньше их суммарная длина). Тем не менее русло реки 4-го порядка имеет показатель фрактальной размерности незначительно больший, чем аналогичный показатель притоков 3-го порядка, отражая баланс гидрографического бассейна р. Демержи (рис. 5). Применение инструментария геоинформационных систем позволило более эффективно и быстро извлекать и проводить анализ пространственной информации, главным образом, для идентификации признаков и извлечения информации. Так, были проведены вычисления коэффициента бифуркации и густоты расчленения поверхности (плотность дренажа, табл. 3). Коэффициент бифуркации, рассчитанный как отношение количества потоков данного порядка Nu к количеству потоков в следующем, более высоком порядке (Nu + 1), и плотность D = дренажа, где D - плотность дренажа; L - длина гидрографической сети; S - поверхность) для рек 4-го порядка, относящихся к бассейну рек Харал и Оо-Хем, приведены в табл. 3. Рис. 2. Морфометрическая модель р. Кара-Хем Fig. 2. Drainage model of Kara-Khem watershed Рис. 3. Фрактальная модель дренажа р. Кара-Хем Fig. 3. Fractal drainage model of Kara-Khem watershed Параметры водотоков рек 4-го порядка бассейна р. Оо-Хем Parameters of river stream 4 order river basin Oo-Chem Таблица 2 Table 2 Порядок рек (i) Параметр Коэффициент (й) р. Ойнаа 1 2 3 4 Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 27 4 2 1 Rc 5,68 Вычислено 64,6 11,4 2,00 0,35 /„ 0,35 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 62,4 18,9 8,5 4,9 Rl 2,88 Вычислено 70,88 24,55 8,5 2,94 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 2,23 2,78 4,22 4,9 Rt 0,8 Вычислено 2,72 3,39 4,22 5,26 р. Кара-Адыр Кол-во водотоков рек (Nt) Измерено 56 8 3 1 Rc 6,19 Вычислено 115,1 18,58 3,00 0,48 In 0,48 Rj 0,57 р. Шеннелиг Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 28 7 2 1 Rc 3,77 /„ 0,53 Вычислено 28,52 7,55 2,0 0,53 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 46,62 14,6 19,7 4,68 Rl 2,69 Вычислено 143,42 53,17 19,71 7,3 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,46 1,83 6,57 4,68 Ri 0,9 Вычислено 5,37 5,94 6,57 4,68 р. Демержи Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 56 15 3 1 Rc 3,95 /„ 0,76 Вычислено 46,74 11,84 3,0 0,76 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 100,9 34,3 43,5 4,8 Rl 3,43 Вычислено 512,4 149,3 43,5 12,67 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,8 1,8 8,7 4,8 Rj 1,09 Вычислено 10,43 9,53 8,7 7,95 р. Ак-Хем Кол-во водотоков реки (Nt) Измерено 37 11 3 1 Rc 3,41 /„ 0,88 Вычислено 34,8 1 0,22 3,0 0,88 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 58,58 38,66 22,23 8,14 Rl 1,78 Вычислено 70,71 39,65 22,23 12,46 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,36 3,22 11,11 8,14 Rt 0,84 Вычислено 7,99 9,42 11,11 13,1 Параметр Порядок рек (i) 1 2 3 4 Суммарная длина водотоков, км (L;) Измерено 106,9 23,9 22,9 11,04 Вычислено 253,83 76,24 22,90 6,88 Средняя суммарная длина водотоков, км (lt) Измерено 1,59 1,99 7,61 11,04 Вычислено 2,49 4,35 7,61 13,28 Коэффициент (R) RL 3,33 100 логарифмическая шкала ■ о _- о .......""' □ о" о ->- - ♦ 1-, 2,6 3,1 £ L измеренное 4,1 4,6 £ I измеренное экспоненциальный (X L измеренное) 10 1,1 1.6 £ N измеренное экспоненциальный (X N измеренное) 2,1 3,6 о --экспоненциальный (X I измеренное) Рис. 4. Морфометрическая модель р. Демержи Fig. 4. Drainage model of Demerzhi watershed Рис. 5. Фрактальная модель дренажа р. Демержи Fig. 5. Fractal drainage model of Demerzhi watershed Таблица 3 Морфометрические характеристики Table 3 Morphometric characteristics Название реки | Средний коэффициент бифуркации (Rb) | Плотность дренажа (D), км/км2 Бассейн Харала Шорлуг 3,87 0,99 Кара-Хем 4,1 0,83 Чайынды 3,16 0,72 Сай-Кежиг 3,87 1,17 Бассейн Оо-Хема Ойнаа 3,58 0,53 Кара-Адыр 4,22 0,75 Шеннелиг 3,17 0,75 Демержи 3,91 0,74 Ак-Хем 3,34 0,62 Согласно исследованиям А. Стралера [Strahler, 1957], коэффициент бифуркации показывает небольшой диапазон вариаций для разных регионов или для разных сред, за исключением тех случаев, когда доминирует мощный геологический контроль. Порядковая нерегулярность в Rb в основном обусловлена геологическими и литологическими особенностями водосборного бассейна. Чем ниже значение Rb, тем меньше структурных нарушений [Strahler, 1964]. Коэффициент бифуркации бассейнов рек исследуемой территории имеет наибольшее значение для потока 1-го и 2-го порядков, но уменьшается в потоке 3-го и 4-го порядков, поскольку на него не влияет какой-либо структурный контроль. Средний коэффициент бифуркации бассейнов рек изменяется от 3,16 до 4,22, что характерно для горных районов [Хортон, 1948]. Густота расчленения поверхности зависит как от климатических, так и от физических характеристик водосборного бассейна и непосредственно связана с величиной водного баланса. Возрастающая густота расчленения поверхности (плотность дренажа) сопровождается увеличением коэффициентов бифуркации. На рассматриваемой территории плотность дренажа варьируется от 0,53 до 1,17 км/км2. Более низкую плотность дренажа имеют бассейны рек Ойнаа - 0,53 км/км2 и Ак-Хем - 0,62 км/км2, относящиеся к бассейну р. Оо-Хем. Для рек, составляющих бассейн Харала, плотность дренажа имеет более высокие значения (см. табл. 3). Высокая плотность дренажа для рек Сай-Кежиг -1,17 км/км2 и Кара-Хем - 0,99 км/км2 бассейна р. Харал объясняется расположением их в пределах более влажной Серлигхемской котловины, в днище древнего Верхнехаральского приледникового озера, сложенного плохо проницаемыми озерными глинами, мощность которых, по данным бурения, превышает 10 м. Заключение Впервые представлен морфометрический и фрактальный анализ речных бассейнов р. Харал и р. Оо- Хем Ойна-Харальского рудного узла на основе классификации Хортона-Стралера. В работе апробирована новая морфометрическая и фрактальная модель дренажа, позволяющая наблюдать качественные и количественные изменения в определении водосборного бассейна с учетом логарифмической шкалы числа, длины и средней длины речных водотоков разного порядка. Анализ индекса равновесия для бассейнов рек Харал и Оо-Хем указывает на то, что реки данного бассейна не находятся в равновесии, они имеют относительную степень недоразвития, кроме р. Чайынды, которая переразвита (/„ = 1,4). Это состояние дисбаланса подтверждается фрактальным анализом, свидетельствующим, что бассейны рек 4-го порядка имеют потоки порядка 4, с фрактальной размерностью выше потоков 3-го порядка. Причина в том, что современная речная сеть р. Оо-Хем и р. Харал находится в молодой стадии развития, характерной для горных рек; здесь продолжается активная глубинная и боковая эрозия, продольные профили не выработаны. Это связано со сложной историей развития бассейнов, с многократным изменением базисов эрозии, вызванных оледенениями, с перестройкой речной сети и перехватом рек, произошедшим в верхнеплейстоценовое время в связи с таянием ледникового покрова. Река Чайынды до ее перехвата относилась к более древней и развитой речной системе Палео-Кара-Хема. Количественный анализ морфометрических параметров речных бассейнов может способствовать раскрытию климатических, геоморфологических, структурных и геологических особенностей территории. С теоретической точки зрения проведенные исследование вносят определенный вклад в развитие фрактальной методологии для дальнейшего накопление фактурного материала. В пределах Ойна-Харальского рудного узла апробация морфометрического и фрактального анализа речных бассейнов р. Харал и р. Оо- Хем может служить для прогнозирования и выявления новых россыпных месторождений золота в элементах древней речной сети.

Скачать электронную версию публикации