Задание № 2. Построение сетки линий стекания с болотного массива

Цель работы – построение сетки линий стекания с болотного массива по материалам аэрофотосъемки и типологическому плану.

Основные задачи:

1. научиться определять ориентированность микрорельефа болотных микро- и мезоландшафтов по аэро- или космоснимку;

2. в программе MapInfo графически отобразить линии стекания болотного массива;

3. оформить сетку линий стекания, наложенную на типологический план болотного массива.

Исходные данные. Аэро- или космоснимок болотного массива, типологический план болотного массива (выполненный в задании № 1), рабочий набор файлов (полученный в задании № 1), компьютер с программным обеспечением MapInfo.

Содержание работы. Работа выполняется на основе дешифрирования аэро- и космоснимков болотных массивов и топонимического плана болотного массива. По характерным признакам (ориентирование элементов микрорельефа болота, форм водоемов и направления стекания водотоков и др. – таблица 1.2) в программе MapInfo или на кальке создается схема линий стекания с болотного массива. В программе MapInfo к уже существующим (задание № 1) добавляется новая таблица и рабочий «слой», в котором рисуются линии стекания от центра болотного массива к периферии с учетом особенностей микрорельефа и расположения гидрографической сети. Результатом работы является сетка линий стекания с болотного массива, наложенная на топонимический план, легенда карты-схемы.

Теоретические положения.

Сетка линий стекания (СЛС) является основной гидродинамической характеристикой для неосушенных болотных массивов и отражает направление фильтрации грунтовых вод и стока поверхностных вод на территории болота. Форма сетки линий стекания остается неизменной во времени. Типологический план болотного массива с сеткой линий стекания строится на основе простого визуального дешифрирования аэрофотопланов болотных массивов, согласно определенным правилам.

Совпадение поверхности микрорельефа болота с формой поверхности грунтовых болотных вод дает возможность использовать сетку линий токов и для точного наведения горизонталей поверхности болота.

Самым важным является определение типа микроландшафта. Это связано с тем, что существуют определенные взаимосвязи между структурой микро-, мезо- и макроландшафтов, их микрорельефом и направлением течения воды в фильтрационных и поверхностных потоках. Это является основным критерием для установления направления течения вод. Для определения типа микроландшафта и микрорельефа можно пользоваться прямыми и косвенными признаками. Первая группа признаков определяет структуру. К числу признаков этой группы относится ориентация элементов микроландшафта комплексного строения (грядово-мочажинных, грядово-озерковых и т.п.). Известно, что гряды располагаются перпендикулярно направлению фильтрационных и поверхностных вод для того, чтобы происходил максимально возможный в условиях недостаточного содержания питательных элементов перехват минеральных веществ растениями. Когда признаков первой группы недостаточно, рассматривают структурные элементы другого порядка, характеризующие строение мезо- и макроландшафтов, а также расположение последних относительно внешней гидрографической сети (расположение топей выклинивания; расположение и направление стока русел внутриболотных речек; ориентация, размеры и расположение озер, истоков и т.п.).

Также визуально определяется центр (или центры) болотного массива (системы массивов). Необходимо помнить, что верховые или олиготрофные болота имеют выпуклый профиль, т.е. их центр – положительная «+» форма рельефа, а, значит, фильтрация и сток осуществляется от центра к окраинам болота. Эвтрофные или низинные болота имеют «-» отрицательную форму мезорельефа – вогнутую поверхность и собирают воды в центре массива. Плановые формы потока бывают расходящиеся, параллельноструйные и сходящиеся.

Сетка линий стекания добавляется к типологическому плану болотного массива, поэтому масштаб СЛС должен быт такой же. Расстояния между линиями стекания выбираются по принципу достаточности для отображения процессов стока и фильтрации в данном участке массива, чаще всего это расстояние равняется 5-10 мм на плане.

Конечной целью построения СЛС является получение расчетной основы в графической форме, с помощью которой можно было бы определить длины спроектированных контуров стока и притока для любого заданного болотного массива.

Используемые термины и определения

Сетка линий стекания - совокупность проведенных на плане болотного массива линий, ортогональных к горизонталям поверхности болотного массива (рисунок 3).

Линиями тока называются траектории, касательные в каждой данной точке потока к вектору полной скорости, отображающему направление стекания с болотного массива.

План выполнения работы

1. Открыть рабочий набор, созданный в ходе выполнения задания № 1 по построению типологического плана болотного массива.

2. Создать новую таблицу (см. задание № 1, пункт 5) для линий тока, куда необходимо включить поле с длиной линии, и новый слой для отображения линий на карте.

3. В меню «Управление слоями» добавить к рабочему набору созданную таблицу СЛС и сделать слой редактируемым.

4. В меню «Пенал» задать параметры стиля линий (толщину, цвет, тип – стрелка и др.).

5. Обозначить «-»-ом или «+»-ом центр болотного массива.

6. Учитывая прямые и косвенные признаки дешифрирования (см. таблицу 1.2) провести необходимое количество линий тока от центра болотного массива к его границам (или от границ – к центру при наличии вогнутого профиля).

7. Занести длины линий тока (s_i) в таблицу. Для этого в столбце длина линии оформить «выражение» (см. задание 1, пункт 12).

8. Создать легенду сетки линий стекания и типологического плана болота.

9. Сохранить таблицу и рабочий набор с файлами, к которому, соответственно, добавляются еще 5 файлов нового слоя сетки линий стекания.

10. Вывести на печать сетку линий стекания. Возможна печать СЛС на типологическом плане болотного массива. Распечатывается также таблица с характеристиками линий тока.

11. Рабочий набор с файлами и распечатанный вариант СЛС и ее таблицы является отчетным материалом по данному заданию.

12. Если работа выполнялась без использования ГИС-программ, то сетка линий стекания с легендой представляется на кальке, прикрепленной к аэроснимку и типологическому плану болотного массива.

Рис.3. Сетка линий стеканий с болотного массива

Задание № 3. Расчет стока с болота методом фильтрационных характеристик

Цель работы – рассчитать сток со всего болотного массива или его части, используя метод фильтрационных характеристик.

Основные задачи:

1. ознакомиться с методом фильтрационных характеристик;

2. создать информационную базу для расчетов стока;

3. в программе MapInfo найти площади контура стока и длину проекций линий тока;

4. рассчитать элементарный расход для каждого микроландшафта;

5. рассчитать сток со всего болотного массива или его части;

6. рассчитать модуль стока за определенный промежуток времени со всего болотного массива или его части;

7. построить гидрограф стока с болотного массива.

Исходные данные. Таблица суточных данных по уровням грунтовых болотных вод для микроландшафтов различных типов, которые берутся из материалов наблюдений болотных станций; таблица значений элементарных расходов из указаний по расчетам стока с неосушенных и осушенных болот. Используется также типологический план болотного массива и сетка линий стекания, построенные на основе аэро- или космоснимков в заданиях № 1 и 2. При работе на компьютере необходимо программное обеспечение MapInfo. Если работа выполняется без использования компьютера, то необходим также планиметр.

Содержание работы. Работа выполняется на основе дешифрирования аэро- и космоснимков болотных массивов. По характерным признакам (цвет, структура, ориентировка элементов и др.) в программе MapInfo создаются рабочие наборы файлов, содержащие карту-схему расположения болотных микроландшафтов и гидрографических объектов на территории массива, таблицу с характеристиками каждого микроландшафта и/или объекта и вспомогательные файлы. При отсутствии необходимого программного обеспечения работу можно выполнить с использованием кальки. Результатом работы является таблица с расчетом стока и модуля стока с болотного массива, график изменения модуля стока во времени для всего болота.

Теоретические положения.

Расходная часть водного баланса болотных массивов состоит, в основном, из двух составляющих: стока и испарения. Расчет стока с болота возможен различными способами, например, по расходам ручьев, стекающих с массива. Однако, на практике часто необходимо решение более сложных задач. Болотные системы часто занимают очень обширные территории и расчет стока по гидрографической сети невозможен. Необходимо рассчитать сток (фильтрацию) через линию, проходящую по болоту, например, планируемую магистраль. Для этого используются методы расчета фильтрации через толщу деятельного и/или инертного горизонта. В данной работе выполняется расчет стока с болота методом фильтрационных характеристик, который позволяет решать задачи данного рода.

Болото в силу своих свойств содержит большое количество влаги, однако не стремиться от нее избавиться, проявляя тем самым устойчивость болотного местообитания влаголюбивой растительности. Сток с болотного массива – процесс длительный и трудоемкий ввиду очень малых уклонов поверхности болота и низких коэффициентов фильтрации. Было установлено, что на болотных массивах существует связь между балансом водного питания, закономерностями распределения растительного покрова, микрорельефа поверхности и физическими свойствами деятельного и инертного слоев болота. Соотношения внутри такой системы остаются постоянными, а гидродинамические характеристики обладают своим режимом, меняющимся во времени.

Вычисление и тем более измерение многих гидродинамических характеристик затруднено, поэтому для проведения расчетов основываются на зависимости различных параметров болота, прежде всего, от уровня грунтовых болотных вод. Динамика болотных вод отражает многие процессы, происходящие в болоте: испарение, движения жидкости, фильтрацию, просачивание, накопление и др.

Одним из примеров использования уровня грунтовых болотных вод в расчетах является расчет стока методом фильтрационных характеристик, в основе которого лежит, по сути дела, закон Дарси, использующийся для расчетов фильтрации на болоте. В работе таки параметры уравнения Дарси, как уклон, коэффициент фильтрации и площадь фильтрующего образца получают из зависимостей уровня болотных вод от типа микроландшафта и микрорельефа болота, полученных ранее экспериментальным путем.

Используемые термины и определения

Модуль стока с болотного массива – количество (расход) воды, фильтрующееся или стекающее в единицу времени с единицы площади болотного массива. Выражается в л/(с*км²), или м³/(с*км²).

Расчетный контур – границы, в пределах которых выполняются расчеты различных стоковых характеристик. Это может быть ганица всего болотного массива или участок, ограниченны, с одной стороны, определенной линией на плане, а, с другой, - рельефом мезоландшафта.

Водопроводимостью торфяной залежи называется количество воды, протекающее через единицу площади некоторой поверхности, которая в каждой своей точке перпендикулярна к направлению градиента сил, действующих на поток жидкости при градиенте их, равном единице.

Водоотдачей болот называется количество воды, стекающее из торфяной залежи, насыщенной до состояния нормальной или выше нормальной влагоемкости, под действием силы тяжести. Водопроводимость ниже уровня грунтовых вод определяется при помощи коэффициента фильтрации, а в зоне аэрации - коэффициентом влагопроводности.

Фильтрация – стадия просачивания воды в почву, при которой продвижение ее происходит под преобладающим действием силы тяжести со скоростью, соответствующей коэффициенту фильтрации данного почвогрунта.

Коэффициент фильтрации – скорость фильтрации при напорном градиенте, равном единице; выражается в м/сут или мм/сут.

Основные гидродинамические характеристики болотных массивов:

1. уровни грунтовых болотных вод, амплитуды их колебаний и изменений уровней по территории болотного массива;

2. закономерности изменения водопроводимости деятельного горизонта и торфяной залежи по глубине и по территории болотного массива

3. закономерности изменения водоотдачи деятельного слоя и торфяной залежи при изменении уровней грунтовых вод

4. толщина деятельного горизонта и ее изменения по территории массива

5. проточность воды в деятельном слое и в торфяной залежи, ее изменения по глубине торфяной залежи и по площади болотного массива

6. модуль проточности и его изменения по площади болотного массива.

План выполнения работы

1. Открыть рабочий набор, созданный в ходе выполнения задания № 1 и 2 с сеткой линий стекания и типологическим планом болотного массива.

2. Создать новую таблицу для линий тока, куда необходимо включить поле «длина линии», и новый слой для отображения линий на карте.

3. В меню «Управление слоями» добавить к рабочему набору созданную таблицу СЛС и сделать слой редактируемым.

4. В диалоговом окне меню с названием «Пенал» задать параметры стиля линий (толщину, цвет и пр.). Нанести на карту расчетный контур. Это может быть граница всего болотного массива (расчет стока ведется для всего болота) или линия определенной длины (в случае расчета фильтрации, к примеру, через планируемую автомагистраль).

5. Провести линии l_i,j (где i- номер микроландшафта, пересекающего расчетный контур, j - номер линии в пределах данного микроландшафта) перпендикулярные линиям тока в месте пересечения ими расчетного контура.

6. Рассчитать длину l_i,j и занести значения в таблицу. Проверить, чтобы длина линии отображала реальные значения на местности (в метрах), а не на рисунке (в миллиметрах)!

7. Создать новую таблицу. В ней проводится суммирования ортогональных линий l_i,j для каждого отдельного микроландшафта, пересекающего расчетный контур. Образец заполнения таблицы приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1.

Таблица для расчета длин линий, ортогональных линиям тока через расчетный контур

1-й микроландшафт	2-й микроландшафт	3-й… микроландшафт
l1,1	l2,1	l3,1
l1,2	l2,2	l3,2
l1,3…	l2,3…	l3,3…
 l1,j (в метрах или км)	 l2,j (в метрах или км)	 l3,j (в метрах или км)

Если работа выполняется на кальке, то, в первую очередь, подсчитываются длины линий l_i,j в миллиметрах, а затем с использованием масштаба карты-схемы, длины линий приводятся к реальным размерам.

8. Распечатать таблицу 3.1 и карту-схему сетки линий стекания с нанесенными на ней проекциями линий l_i,j.

9. Создать в MapInfo новую таблицу, включающую в себя уровни грунтовых болотных вод для каждого микроландшафта за некоторый промежуток времени (например, за месяц) (таблица 3.2).

10. В таблицу 3.2 внести значения уровней грунтовых болотных вод для микроландшафтов (z), отмеченных на типологическом плане, выполненном в задании № 1. Значения берутся из исходных таблиц суточных данных по уровням грунтовых болотных вод для микроландшафтов различных типов, выписанные из материалов наблюдений болотных станций;

11. По таблицам из указаний по расчетам стока с болот (таблица 3.3) определить значение единичного (элементарного) расхода, соответствующего уровню грунтовых болотных вод (пункт 10) для выделенных ранее микроландшафтов q=f(z), добавить значения элементарных расходов в таблицу 3.2.

12. В таблице 3.2 рассчитать горизонтальный сток для каждого микроландшафта в пределах расчетного контура болотного массива по формуле Q_i,n=l_i*q_i,n (где i- номер микроландшафта, пересекающего расчетный контур, n - дата).

13. Рассчитать горизонтальный сток через весь расчетный контур за сутки и за весь расчетный период Q_n. Для этого суммируются величины стока со всех выделенных микроландшафтов болотного массива.

14. Определить площадь болотного массива () в пределах расчетного контура при помощи программы MapInfo (см. задание 1 пункт 12).

15. В таблице 3.2. рассчитать модуль стока со всего расчетного контура за сутки по формуле М_n= Q_,n/ и за весь расчетный периодM_n.

16. Построить графика модуля стока (М_n) за рассматриваемый период. В программе MapInfo это делается следующим образом: меню «Окно» - «новый график» - в диалоговом окне «создание графика» указываем тип графика, затем таблицу (табл.3.2) и выбираем поле графика – колонку таблицы, по данным который необходимо этот график построить, т.е. «модуль стока». Можно также обозначить столбец, который будет лежать по оси абсцисс и, тем самым, «подписать» данные. Распечатать график.

Таблица 3.2

Таблица для расчета модуля стока с болотного массива через расчетный контур

Дата	1-й микроландшафт				2-й микроландшафт				3-й …	Сток через весь контур	Модуль стока
n	zn	q1	l1	Q1,n= l1*q1,n	zn	q1	l1	Q1,n= l1*q1,n		Q n=Qi,n	Mn=Qn/
дд.мм.гг	см	л/с*км	км	л/с							л/с*км2
01.08.95
02.08.95
…
										Qn	Mn

17. Вывести на печать таблицу 3.2 с расчетами стока с болотного массива и модуля стока.

18. Сохранить рабочий набор с файлами, в который должны войти все ранее созданные таблицы и карты-схемы.

19. Рабочий набор с файлами, таблицы 3.1 и 3.2, график модуля стока с болотного массива являются отчетным материалом по данному заданию № 3.