75493-1 (Морфодинамический анализ как метод для целей градостроительного планирования)

Морфодинамический анализ как метод для целей градостроительного планирования

П.Н. Брагин

1. Сущность метода морфодинамического анализа

Из всего многообразия природных условий рельеф наиболее характерное и определяющее состояние поверхности городской территории. Он является важнейшим фактором, оказывающим непосредственное влияние на планировку, застройку и благоустройство города и, в конечном счете, на экономику строительства. При оценке территории основное внимание уделяется существующему рельефу. Определяют наличие и расположение водоразделов и тальвегов, основные направления стока поверхностных вод, участки территорий с различными уклонами, территории, требующие мероприятий по инженерной подготовке, и пр. В зависимости от этих и других факторов проводится функциональное зонирование территории и основные мероприятия, обеспечивающие использование территории в необходимых целях [1].

В данной работе излагается опыт использования метода морфодинамического анализа рельефа для целей генерального планирования на примере Ярославля - одного из типичных городов Центра и Севера Русской равнины. В основу анализа рельефа территории была положена методика выявления элементарных поверхностей по А.Н. Ласточкину [2], доработанная применительно к задачам оценки территории равнинного города. Данная методика по сути явилась развитием и продолжением существовавшей до того методики вырисовывания пластики рельефа ручным способом, имевшей широкое применение у почвоведов и ландшафтоведов. Однако она была, в известной степени, произвольной, а потому возникла необходимость в методике анализа рельефа, имеющей под собой четкое математическое обоснование. Смысл операции морфодинамического анализа заключается в выявлении в пределах геоморфологических поверхностей элементарных поверхностей, обладающих, в достаточной мере, неизменными характеристиками (уклон, литология, экспозиция). Согласно современной теории морфодинамического анализа, границами поверхностей служат структурные линии рельефа, которые подразделяются на несколько типов: килевые, гребневые, линии вогнутого и выпуклого перегибов.

Линия вогнутого перегиба - это линия, разделяющая участок крутого склона от участка пологого склона; в свою очередь, линия выпуклого перегиба, наоборот, находится на границе между пологим и крутым участками склона. Килевая линия проходит по наиболее пониженным участкам в рельефе, тогда как гребневая, по сути, есть водораздел. Гребневые и килевые линии отыскиваются методом пластики рельефа, смысл которого сводится к преобразованию континуума изогипс топокарты в дисконтинуум путем соединения точек перегиба каждой соседней разновысотной изогип-сы (в точках нулевой кривизны) особой линией - морфоизографой, отделяющей выпуклости от вогнутостей [3]. В первую очередь на карте пластики изображается ложбинно-лощинная сеть и водоразделы разных порядков. Линии, проведенные по дну ложбин, как раз и являются килевыми линиями.

Основой для выполнения карты пластики рельефа служит исходная карта с изогипсами земной поверхности (горизонталями). Для работы по созданию карты пластики рельефа использовалась карта (план-схема) масштабом 1: 10000 с горизонталями, проведенными через 5 метров. Листы карты были сканированы, а затем оттрассированы, то есть переведены в векторный формат при помощи графического редактора Corel Draw 7.0.

Следующим этапом работы стала «сборка» всех фрагментов карты в единое целое. Для этого применялось пошаговое соединение всех элементов карты в разных слоях. Соединение проходило в два этапа: сначала фрагменты были собраны в 12 листов, соответствующих листам плана-схемы, полученные таким образом листы «сшивались» в единую карту, на которой, в итоге, получили отображение следующие объекты: рельеф города в виде горизонталей и элементы гидрологической сети - Волги, ее притоки, а также русла ручьев.

Затем при помощи метода пластики рельефа выявлялась ложбинно-лощинная сеть.

Она фиксировалась по так называемым «заливам горизонталей», то есть искривлениям линии горизонтали, направленным вверх по склону. Предполагалось, что «серия» заливов - несколько подряд чередующихся изгибов - фиксируют определенную линейную отрицательную форму рельефа. Затем посредством вписывания в изгиб горизонтали окружности подходящего радиуса определялся «истинный» размер неровности. Края последовательно чередующихся окружностей соединялись по касательной, таким образом прорисовывались ложбины и лощины (килевые линии).

Водоразделы фиксировались по «мысам горизонталей» - искривлениям линии горизонтали, направленной вниз по склону. Итоговая линия водораздела проводилась исходя из того, что серия таких изгибов фиксирует положительную форму рельефа. Таким способом на карту были нанесены основные водоразделы и водоразделы более низких порядков (ребра - гребневые линии).

2. Типизация городского рельефа посредством морфодинамического анализа

На основании данных морфодинамического анализа (а также согласно геологическим изысканиям) в первом приближении территория Ярославля представляет собой гетерогенное образование, которое может быть сведено к восьми генетическим типам геоморфологических поверхностей:

современная пойма Волги и ее притоков

первая надпойменная терраса аллювиального и озерного генезиса

вторая надпойменная терраса сложного озерно-ледникового генезиса

третья надпойменная терраса озерно-ледникового и флювио-гляциального генезиса

холмисто-грядовая поверхность морены напора

моренно-водно-ледниковое плато на двучленных отложениях

равнина основной морены, сложенная суглинками.

В свою очередь, эти генетические поверхности были представлены нами в виде совокупности элементарных поверхностей, выделенных согласно описанной выше методике.

Морфодинамический анализ выявил следующую зависимость - чем сложнее поверхность по строению, тем большее количество типов элементарных поверхностей можно выделить в ее пределах.

Поскольку поверхности поймы, первой и второй речных террас достаточно однородны по характеру уклонов территории (слабонаклонные, почти плоские), то в качестве элементарных поверхностей выделялись локальные повышения и понижения в пределах основной поверхности (гривы и межгривные понижения на пойме, "дюны" и "западины" в пределах первой террасы).

Для других генетических поверхностей набор типов элементарных поверхностей заметно усложняется (Табл. 1).

Каждая из выделенных генетических поверхностей обладает специфическим строением и особенностями, во многом определявшими исторический характер освоения (планировку, застройку, использование). Кроме того, литология и пластика рельефа генетических поверхностей во многом обусловливают развитие тех или иных неблагоприятных экзогенно-динамических процессов (подтопление, линейная и плоскостная эрозия, суффозия) а, следовательно, и проблемы существования городского ландшафта, необходимость реабилитации тех или иных элементов природного комплекса и потенциал конструирования новых ландшафтов «с заданными свойствами».

Таблица 1

Типы элементарных поверхностей

3. Неблагоприятные экзогенно-динамические процессы и их характеристика

Подтопление в пределах города связано в первую очередь с изменением режима Волги. После строительства каскада ГЭС (прежде всего Горьковской ГЭС) уровень воды в реке находится на постоянном высоком уровне, а волжские притоки в своем нижнем (приустьевом) течении находятся в состоянии подпора. В результате этого происходит поднятие уровня стояния грунтовых вод, что в значительной мере затрудняет поверхностный сток на отдельных участках речной долины (например, при выходе водотоков с надпойменной террасы на пойму). Сезонные затопления поймы Волги повлияли на характер ее застройки. Исторически дома строились на возвышенных участках поймы (гривах), тогда как в межгривных понижениях находились сенокосы. Во многих местах заволжской части (например, в Тверицах) такой характер застройки сохранился и по сей день.

Кроме того, процесс подтопления наблюдается в местах существования мелких водотоков (ручьев и мелких рек), в процессе освоения территории засыпанных и заведенных в коллекторы. Зачастую такие участки на карте выглядят как впадающие в Волгу или Которосль ложбины (обычно однорукавные, длиной в несколько сотен метров). Поскольку реконструкция ложбинно-лощинной сети города не проводилась, зачастую здания и сооружения возводились без учета направления стока. Некоторые естественные водотоки оказались перегороженными, что способствовало развитию процесса подтопления и в худшую сторону отразилось на устойчивости самих зданий.

Проявление склоновых процессов также приурочено, в первую очередь, к речным берегам, поскольку вне береговой линии территория города не имеет значительных уклонов.

Оползнеобразование связано со спецификой строения волжских берегов, где водоупорный горизонт находится на уровне уреза воды, что наряду с высоким уровнем стояния грунтовых вод становится решающим фактором в возникновении негативного процесса. Наличие склоновых процессов легко угадывается по эффекту «пьяного леса» и по хорошо заметным конусам выноса. Деревья играют двоякую роль в динамике склонов. При нагрузках (до известного предела) корневые системы выполняют функцию укрепления бровок коренных склонов и обрывов. Однако после того, как за пределами ряда посадок возникают трещины и формируются стенки обрыва или оползания, наличие деревьев на уступе приводит к тому, что грунт передвигается вниз по склону целыми блоками. Склоновые процессы активизируются в весеннее время и связаны в первую очередь с работой текучих талых вод. Проблему усугубляют повышенные, имеющие четкую сезонную направленность (весенне-летний период) нагрузки, связанные со стихийной рекреацией. В период максимального подъема уровня воды в реках на процессы оползнеобразования оказывает влияние и волноприбойная деятельность.

Вытаптывание травяного покрова на склонах культурных набережных Волги и Которосли приводит к усилению интенсивности процессов линейной эрозии, когда вытоптанная тропка служит готовой ячейкой стока талых и дождевых вод. Не лучшим образом сказывается и несовершенство ливневой канализации, из-за чего большая часть стока осуществляется стихийно.

На слабонаклонных поверхностях, лишенных травяного покрова и нарушенных хозяйственной деятельностью (в частности при строительстве), наблюдается значительный плоскостной смыв. Особенно явно проявляется этот негативный процесс в местах высотной застройки, где придомовые пространства («газоны») полностью лишены травянистой растительности, вследствие вытаптывания. Потенциально предрасположенные плоскости смыва также хорошо фиксируются морфодинамическим анализом как «стенки» и «фасы» определенной крутизны, экспозиции и положения на склоне.

Значительные статические (связанные с плотностью застройки) и динамические (связанные с интенсивностью транспортных потоков) нагрузки, наряду с нарушением температурного режима грунтов, вследствие наличия отопительных сетей, ускоряют темпы естественного движения (крипа) территории. Кроме того, утечки из коллекторов и теплосетей, вибрационные и электромагнитные поля способствуют возникновению суф-фозионных процессов.

Для решения обозначенных проблем необходим комплекс инженерно-технических мероприятий, а также меры по сознательному конструированию ландшафтов (табл. 2), которые, к сожалению, до сих пор практически никак не планируются и не реализуются при градостроительном освоении территории

4. Характеристика основных генетических поверхностей территории г. Ярославля Современная пойма Волги и ее притоков

Поверхность поймы в пределах города неоднородна и дифференцируется (по рельефу и условиям существования городского ландшафта) на 3 подтипа (рис. 1.):

основная поверхность пойменных площадок, абс. выс. около 85-90 м., сложена песками желтовато-коричневыми, серыми, желтовато-серыми средней плотности, водонасыщенными;

гривы пойм, абс. выс. около 95-97,5 м., староосвоенные, с культурным слоем и отложениями супеси серой, голубовато-серой, желтовато-серой пластичной;

межгривные понижения абс. выс. около 82,5-85 м., сложенные суглинками желтовато-коричневыми, серыми и темно-серыми с прослоями пылеватых песков, торфами низинными и верховыми буровато-коричневыми и темно-коричневыми, водонасыщенными.